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Universidad de Costa Rica

Facultad de Ingeniera

Escuela de Ingeniera Elctrica

IE 0502 Proyecto Elctrico

Sensores analgicos utilizados en laAutomatizacin Industrial

Por:

Pablo Antonio Chaves Campos

Ciudad Universitaria Rodrigo Facio

Diciembre del 2008

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Sensores analgicos utilizados en laAutomatizacin Industrial

Por:

Pablo Antonio Chaves Campos

Sometido a la Escuela de Ingeniera Elctrica

de la Facultad de Ingeniera

de la Universidad de Costa Ricacomo requisito parcial para optar por el grado de:

BACHILLER EN INGENIERA ELCTRICA

Aprobado por el Tribunal:

_________________________________

Ing. Jorge Blanco Alfaro

Profesor Gua

_________________________________ ________________________________

Ing. Rodolfo Espinoza Valverde Ing. Jahaziel Acosta Guevara

Profesor lector Profesor lector

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DEDICATORIA

A mis familiares y amigos, en especial a mi padre y madre por su apoyo incondicional

en todos estos aos.

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RECONOCIMIENTOS

A la Universidad de Costa Rica y a su personal docente por guiarme durante todos

estos aos en m camino de aprendizaje.

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NDICE GENERAL

NDICE DE FIGURAS ....................................................................................... ix

NDICE DE TABLAS .......................................................................................... x

NOMENCLATURA ............................................................................................ xi

RESUMEN ....................................................................................................................... xiiCAPTULO 1: Introduccin ............................................................................... 11.1 Objetivos ................................................................................................................. 21.1.1 Objetivo general ..................................................................................................... 2

1.1.2 Objetivos especficos .............................................................................................. 21.2 Metodologa ............................................................................................................ 3CAPTULO 2: Fundamentos tericos y clasificacin ....................................... 4

2.1 Fundamentos ........................................................................................................... 42.1.1 Lxico de trminos empleados en los sensores y/o transductores. ......................... 42.1.2 Sensor y/o Transductor ........................................................................................... 72.1.3 Transductor analgico ........................................................................................... 92.2 Clasificacin y funcionamiento de los sensores ................................................... 132.2.1 Sensores de posicin lineal o angular .................................................................. 132.2.2 Sensores de Pequeos desplazamientos o deformaciones .................................... 142.2.3 Sensores de velocidad ........................................................................................... 16

2.2.4 Sensores de fuerza ................................................................................................ 172.2.5 Sensores de nivel .................................................................................................. 202.2.6 Sensores de presin .............................................................................................. 222.2.7 Sensores de flujo y caudal ................................................................................... 242.2.8 Sensores de temperatura ....................................................................................... 262.2.8.1 Resistencia Trmica .............................................................................................. 262.2.8.2 Bimetal ................................................................................................................. 282.2.8.3 Termopar .............................................................................................................. 302.2.9 Sensores de presencia o proximidad ..................................................................... 322.2.9.1 Detectores de proximidad inductivos ................................................................... 332.2.9.2 Detectores de proximidad capacitivos .................................................................. 34

2.2.9.3 Detectores de proximidad pticos ........................................................................ 352.2.9.4 Detectores de proximidad ultrasnicos................................................................. 36CAPTULO 3: Principales caractersticas de los sensores ............................ 373.1 Sensores de posicin lineal o angular ................................................................... 37

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3.1.1 Caractersticas ....................................................................................................... 383.1.2 Principales aplicaciones industriales .................................................................... 38

3.2 Transformadores diferenciales (LVDT) ............................................................... 393.2.1 Aplicaciones industriales ms comunes ............................................................... 393.2.2 Principales caractersticas ..................................................................................... 403.2.3 Otras caractersticas importantes .......................................................................... 403.2.4 Materiales ms comunes utilizados en su fabricacin. ......................................... 413.2.5 Marcas ms comunes en el mercado. ................................................................... 413.2.6 Principales Ventajas ............................................................................................. 413.3 Galgas extensiomtricas de resistencia variable ................................................... 423.3.1 Aplicaciones industriales comunes ....................................................................... 423.3.2 Principales caractersticas .................................................................................... 423.3.3 Materiales ms comunes utilizados en su fabricacin .......................................... 43

3.3.4 Marcas ms comunes en el mercado. ................................................................... 433.4 Dinamo tacomtricas ............................................................................................ 433.4.1 Caractersticas ....................................................................................................... 443.5 Sensores de nivel capacitivos ............................................................................... 443.5.1 Tipo invasivos ...................................................................................................... 443.5.1.1 Caractersticas ....................................................................................................... 453.5.1.2 Aplicaciones industriales comunes ....................................................................... 463.5.2 Tipo no-invasivos ................................................................................................ 463.5.2.1 Aplicaciones industriales ms comunes ............................................................... 473.5.2.2 Caractersticas ....................................................................................................... 473.5.3 Materiales ms comunes utilizados en la fabricacin tanto para los no invasivos

como para los invasivos. ....................................................................................................... 483.5.4 Principales ventajas .............................................................................................. 483.6 Sensores piezoelctricos para medir presin. ....................................................... 493.6.1 Aplicaciones industriales ms comunes ............................................................... 493.6.2 Caractersticas ....................................................................................................... 503.6.3 Principales ventajas .............................................................................................. 503.7 Sensores para medir caudal .................................................................................. 503.7.1 Tubo Venturi ........................................................................................................ 503.7.1.1 Caractersticas ....................................................................................................... 513.7.1.2 Materiales ms comunes utilizados en su fabricacin .......................................... 523.7.1.3 Principales ventajas .............................................................................................. 52

3.7.2 Medidor de turbina ............................................................................................... 523.7.2.1 Aplicaciones industriales ms comunes ............................................................... 533.7.2.2 Caractersticas ....................................................................................................... 533.7.2.3 Materiales utilizado en su construccin................................................................ 543.7.2.4 Principales ventajas .............................................................................................. 54

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3.7.3 Medidor magntico ............................................................................................... 553.7.3.1 Caractersticas ....................................................................................................... 55

3.7.3.2 Principales ventajas y desventajas ........................................................................ 563.8 Sensores de presencia o proximidad ..................................................................... 573.8.1 Sensores de presencia inductivos ......................................................................... 573.8.1.1 Caractersticas ....................................................................................................... 573.8.1.2 Aplicaciones industriales comunes ....................................................................... 583.8.1.3 Ventajas y desventajas .......................................................................................... 583.8.2 Sensores de presencia capacitivos ........................................................................ 593.8.2.1 Caractersticas ....................................................................................................... 593.8.2.2 Aplicaciones industriales comunes ....................................................................... 603.8.2.3 Ventajas y desventajas .......................................................................................... 613.8.4 Medidor ultrasnico .............................................................................................. 61

3.8.4.1 Caractersticas ....................................................................................................... 613.8.4.2 Aplicaciones industriales comunes ....................................................................... 633.8.4.3 Ventajas y desventajas .......................................................................................... 633.9 Sensores de temperatura ....................................................................................... 643.9.1 Termopares ........................................................................................................... 643.9.1.1 Caractersticas de los termopares ......................................................................... 643.9.1.2 Clasificacin de los termopares ............................................................................ 663.9.1.3 Aplicaciones industriales. ..................................................................................... 673.9.1.4 Principales Ventajas y desventajas ....................................................................... 673.9.2 Termo resistencias PT100 o RTD ....................................................................... 673.9.2.1 Caractersticas de las PT100 ................................................................................. 68

3.9.2.2 Aplicaciones industriales ms comunes ............................................................... 693.9.2.3 Principales Ventajas ............................................................................................. 693.9.3 Termistor .............................................................................................................. 693.9.3.1 Resistencias NTC ................................................................................................. 703.9.3.1.1 Caractersticas de los NTC ................................................................................... 703.9.3.2 Resistencias PTC .................................................................................................. 713.9.3.2.1 Caractersticas de los PTC .................................................................................... 71CAPTULO 4: Conclusiones y recomendaciones ........................................... 71

BIBLIOGRAFA ................................................................................................ 74

APNDICES ....................................................................................................... 76Apndice 1 ............................................................................................................................ 76Efecto Peltier y el efecto Thompson..................................................................................... 76Apndice 2 ............................................................................................................................ 78Norma IP (ndice de Proteccin) .......................................................................................... 78

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ANEXOS ............................................................................................................. 81

ANEXO 1 ............................................................................................................................. 81Curva de resistencia relativa ................................................................................................. 81ANEXO 2 ............................................................................................................................. 81Curva de calibracin de un sensor ........................................................................................ 81ANEXO 3 ............................................................................................................................. 82Curva de calibracin de un sensor con histresis ................................................................. 82

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NDICE DE FIGURAS

Figura N 1 Componentes bsicos de un sensor [10] ............................................................. 8Figura N 2 Esquema bsico de un sensor analgico [9] ........................................................ 9Figura N 3 Esquema de un potencimetro a) lineal y b) angular [11]. .............................. 13Figura N 4- Representaciones de un LVDT a) forma real y b) diagrama [8] ................... 14Figura N 5- Variacin del voltaje de salida respecto a la posicin del ncleo [8] . 16Figura N 6 Construccin bsica de un tacodinamo [11] ................................................... 17Figura N 7 Construccin bsica de una galga extensiomtrica [11] .................................. 18Figura N 8 Tipos de transductores piezoelctricos [13] ..................................................... 20Figura N 9 Manmetro lquido en forma de "U" [10] ........................................................ 23Figura N 10 Esquema de un tubo Bourdon [13] ................................................................ 23Figura N 11Medidor de turbina [13] ................................................................................. 25

Figura N 12Estructura bsica de una RTD [8] ................................................................. 27Figura N 13 Sensor de temperatura con pelcula de aluminio [4] .................................... 28Figura N 14 Bimetal [12] .................................................................................................. 29Figura N 15 Principio del termopar [11] .......................................................................... 31Figura N 16 Principio fsico del transductor inductivo [7] ............................................... 33Figura N 17Forma ms comn del transductor inductivo [7] .......................................... 34Figura N 18 Estructura bsica del transductor capacitivo [7] .......................................... 34Figura N 19 Principio fsico del transductor capacitivo [7] ............................................. 35Figura N 20 Principio del transductor ultrasnico [7] ...................................................... 37Figura N 21 Diferentes tipos de potencimetros [8] ........................................................ 39Figura N 22 Varios tipos de LVDT [11] ........................................................................... 41

Figura N 23 Apariencia de las galgas de efecto piezoresistivo [9] ................................... 43Figura N 24 Dinamo tacomtricas conectada a un motor [7] ............................................ 43Figura N 25 Sensor capacitivo invasivo [10] .................................................................... 45Figura N 26 Sensor capacitivo no-invasivo [10] ............................................................... 46Figura N 27 Sensor capacitivo no-invasivo de nivel [10] ................................................. 47Figura N 28 Sensores de presin, a) manomtrica, b) diferencial [9] ............................... 49Figura N 29 Tubo Venturi [2]............................................................................................ 51Figura N 30 Medidor de turbina [6] .................................................................................. 54Figura N 31 Medidor magntico [6] .................................................................................. 55Figura N 32 Presentaciones de los Termopares [8] ........................................................... 65Figura N 33 Presentaciones de las PT100 [8] .................................................................... 69Figura N 34 Presentaciones de los termisores [8] ............................................................. 70Figura N 35- Resistencia relativa de termistores y resistencias trmicas [1] ...................... 81Figura N 36- Curva da calibracin de un sensor [10] ......................................................... 81Figura N 37- Curva da calibracin de un sensor que posee histresis [10] ........................ 82

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NDICE DE TABLAS

Tabla N 1 Clasificacin de los sensores ........................................................................... 12Tabla N 2 Caractersticas de los potencimetros .............................................................. 38Tabla N 3 Caractersticas ms generales de un LVDT ..................................................... 40Tabla N 4 Caractersticas ms generales de una galga extensiomtrica de efecto

piezoresistivo ................................................................................................................ 42Tabla N 5 Caractersticas ms generales de un dinamo tacomtricas .............................. 44Tabla N 6 Caractersticas ms generales de un sensor de nivel capacitivo tipo invasivo 45Tabla N 7 Caractersticas ms generales de un sensor de nivel capacitivo tipo no-

invasivo ......................................................................................................................... 47Tabla N 8 Materiales comunes en la fabricacin de sensores capacitivos ........................ 48Tabla N 9 Caractersticas ms generales de los sensores de efecto piezoelctrico .......... 50Tabla N 10 Caractersticas ms generales de los termopares ........................................... 51Tabla N 11 Caractersticas ms generales del medidor de turbina ................................... 53Tabla N 12 Caractersticas ms generales de los termopares ........................................... 65Tabla N 13 clasificacin y rangos de medicin de los termopares ms comunes [15]. .. 66Tabla N 14 Principales caractersticas de una PT100 ....................................................... 68Tabla N 15 Principales caractersticas de una resistencia NTC ....................................... 70TablaN 16- Nomenclatura primer digito Norma IP ............................................................ 78TablaN 17- Nomenclatura segundo digito norma IP .......................................................... 79

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NOMENCLATURA

LVDT: (Linear Variable Differential Transformer) Transformador diferencial

variable lineal.

NTC: (Negative temperature coefficient) termo resistencia de coeficiente

negativo

PTC: (Positive temperature coefficient) termo resistencia de coeficiente

positivo

RTD: (Resistance Temperature Detector) Detector resistivo de temperatura

ISA: (Instrument Society of America) Sociedad de instrumentacin

Americana.

IEEE: (The Institute of Electrical and Electronics Engineers) Instituto de

ingenieros elctricos y electrnicos.

IEC: Comisin Electrotcnica Internacional.

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RESUMEN

El presente trabajo abarca el tema de los sensores utilizados en la automatizacin de

la industria, limitndose a estudiar el conjunto de transductores de tipo analgico.

Para esto se realiz una descripcin del principio de funcionamiento de los sensores

ms comunes en la industria.

Adems se realiz una clasificacin de los transductores tomando como criterio la

seal de salida y la magnitud fsica que miden los instrumentos.

Luego se estudiaron los sensores de acuerdo a sus caractersticas, aplicaciones ms

comunes, y las ventajas se consideraron como las ms significativas para cada sensor, as

como una pequea resea de los campos de aplicacin ms comunes en la industria para

cada tipo de sensor.

En el marco terico se desarrollaron los principales fundamentos necesarios para

entender los mtodos empleados para transducir magnitudes fsicas en parmetros tiles

para su interpretacin. Dicha parte del trabajo ejemplifica los mtodos ms comunes en la

prctica, as como figuras ilustrativas para procurar un mejor entendimiento de la

investigacin.

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CAPTULO 1: Introduccin

La Automatizacin Industrial, es un tema amplio y de suma trascendencia en el

desarrollo e innovacin de la industria en el pas. En las ltimas dcadas se ha seguido la

tendencia de automatizar de manera progresiva procesos productivos de todo tipo. Esto con

el fin de mejorar la productividad de la empresa, las condiciones de trabajo del personal, la

disponibilidad de los productos y simplificar el mantenimiento de forma que el operario no

requiera grandes conocimientos para la manipulacin del proceso productivo, entre otros.

Esta tendencia ha sido y sigue siendo posible gracias al constante desarrollo y

eficiencia productiva de la tecnologa empleada.

Es por esto que es necesario, que el personal ingenieril y tcnico, encargados de los

procesos de automatizacin, tengan los conocimientos requeridos, con el fin de garantizar

la salvaguarda de las personas y la proteccin de los equipos en las industrias.

El presente trabajo consiste en un estudio acerca de los principales sensores devariables analgicas que se utilizan actualmente en la automatizacin industrial, esto

porque los sensores son los elementos que proporcionan informacin crtica de un sistema

de control, y se encargan de realizar la medicin de los cambios que se den en el mismo,

afectado por las interferencias ambientales y fsicas.

Adems, la importancia de identificar el concepto de sensor de manera correcta en

un sistema de medida es ineludible, ya que el grado de confiabilidad de una medicin

aumenta cuando todos los factores que influyen en la medicin se encuentran

completamente definidos.

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En la medida de lo posible, se tratar de abarcar el mayor nmero de instrumentos,

que posean el mayor grado de aplicacin a nivel nacional.

1.1 Objetivos

1.1.1

Objetivo general

Llevar a cabo una investigacin de los sensores de variables analgicas utilizados

en la Industria, describiendo su funcionamiento y campos de aplicacin.

1.1.2 Objetivos especficos

Enunciar las principales variables analgicas involucradas en los procesos

industriales.

Describir sus principales caractersticas.

Enumerar mtodos de medicin.

Describir sus diferentes campos de aplicacin.

Analizar su interconexin con dispositivos de control.

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1.2

Metodologa

Para el desarrollo del trabajo, se realiz una investigacin exhaustiva del material

bibliogrfico disponible, textos, revistas, pginas web, entre otras, que permitieron

desarrollar el tema de una manera clara y concisa. Adems, a manera de complemento se

efectuaron entrevistas a ingenieros y tcnicos involucrados en la automatizacin, as como

una visita a una industria donde se logr apreciar de manera clara la funcionalidad de estos

instrumentos en los procesos industriales.

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CAPTULO 2: Fundamentos tericos y clasificacin

En este captulo, se realiz un listado de algunos de los trminos empleados en los

sensores y/o transductores, adems se clasificaron los sensores de acuerdo a la magnitud

fsica que miden, y se mostr brevemente su funcionamiento y ciertas caractersticas

importantes.

2.1 Fundamentos

2.1.1

Lxico de trminos empleados en los sensores y/o transductores.

Transductor: Un transductor es un dispositivo que convierte una seal de un tipo a

otro, es decir convierte una magnitud en otra que resulte ms apta para el anlisis de un

fenmeno fsico. Los seis tipos de seales ms usuales en el control industrial son:

mecnicas, trmicas, magnticas, elctricas, pticas y moleculares. El transductor por lo

general suele convertir cualquier seal en una seal elctrica, esto por el tipo de

aplicaciones industriales que se les da. Un transductor ideal es aquel que para producir su

seal de salida no atena la energa de la seal de entrada. En la prctica esto no se da, por

lo que es importante que el transductor consuma la menor energa de la seal de entrada

para que altere en lo menos posible el fenmeno fsico estudiado.

Atenuacin:reduccin en amplitud de una variable o seal dada.

Bimetal: pieza formada por dos metales con distinto coeficiente de dilatacin

trmica (). Cuando se produce un cambio de temperatura, la pieza se deforma segn un

arco circular, cuyo radio es inversamente proporcional al incremento de temperatura.

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Calibracin: procedimiento utilizado para ajustar la salida del sensor sobre su

rango completo de medida, tratando que este ajuste coincida al mximo con una serie de

valores conocidos, los cuales son obtenidos de patrones de la magnitud a medir.

Campo de medida:espectro o conjunto de los valores de la variable medida que

estn comprendidos dentro de los lmites superior e inferior de la capacidad de medida o de

transmisin del instrumento .

Coeficiente trmico de resistividad:se refiere a los cambios en la resistividad de

una sustancia debidos nicamente a los efectos de la temperatura.

Dispositivo de medida:conjunto de todos los componentes con los que se realiza

un mtodo de medida, basado en un principio determinado, si el dispositivo consta de un

solo componente, se denomina instrumento de medida.

Efecto Piezoelctrico:el efecto piezoelctrico, es un fenmeno fsico que presentan

algunos cristales debido al cual, aparece una diferencia de potencial elctrico entre ciertas

caras del cristal cuando ste se somete a una deformacin mecnica.

Error: diferencia algebraica entre el valor indicado y el valor verdadero de la

medida.

Exactitud (accuracy):es la cercana de una indicacin o lectura de un dispositivo

de medicin, al valor actual de la cantidad que esta siendo medida. Generalmente expresada

en un porcentaje de la escala total de lectura.

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Extensometra: mtodo que tiene por objeto la medida de las deformaciones

superficiales de los cuerpos.

Factor de galga: relacin entre la variacin relativa de longitud y variacin de la

resistencia correspondiente en una galga extensiomtrica.

Histresis: esta se refiere a la mxima diferencia que se da entre las seales de

salida correspondientes a un mismo valor medido o de entrada.

Influencia: viene dada por las modificaciones de la magnitud de salida debidas

exclusivamente a la desviacin de la magnitud considerada respecto a su valor nominal, si

todas las dems magnitudes variables mantienen sus valores nominales respectivos.

Linealidad de amplitud: habilidad del transductor para producir una seal de

salida, que sea directamente proporcional a la amplitud de estrada.

Magnitud de medida: magnitud fsica, qumica o de cualquier otro tipo que se

pretende medir.

Mediciones analgicas:se refiere a que se puede representar y registrar de forma

continua cualquier valor de la magnitud de la medida, dentro del margen previsto.

Offset o desviacin de cero: valor de la variable de salida cuando la variable de

entrada es nula. Si el rango de medida no llega a valores nulos de la variable de entrada,

habitualmente se establece otro punto de referencia para definir el offset.

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Precisin: propiedad que distingue la capacidad que tiene un instrumento de

mediada, de brindar indicaciones muy aproximadas al valor verdadero de la magnitud

medida.

Rango:es el dominio en la magnitud medida en el que puede aplicarse el sensor.

Repetitividad: esta se refiere a la capacidad que posee un sensor de brindar los

mismos valores de salida cuando se le aplica repetidamente el mismo valor de magnitud

medida, bajo las mismas condiciones y en la misma direccin.

Resolucin: se refiere al nmero de bits empleados para representar en un medio

discreto una variable y nos indica el grado de precisin de la presentacin.

Velocidad de respuesta: tiempo de retardo de la seal de salida respecto a la de la

entrada. El transductor debe de ser capaz de responder rpidamente a los cambios de la

variable que se esta monitoreando o detectando; si la medicin tiene una cintica mas lenta

que la de la propia variable, tendremos que disponer de sistemas de prediccin de este

valor, si es que el proceso as lo requiere, y no depender solo del valor instrumental.

2.1.2 Sensor y/o Transductor

El sensor, en forma general se define como un dispositivo capaz de detectar

diferentes tipos de materiales o sea recibe una seal o estmulo y responde a este con una

seal elctrica de salida.

El transductor se define como un dispositivo que transforma una variable fsica

(fuerza, presin, temperatura, velocidad, etc.) en otra.

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Con base en las dos definiciones anteriores y dado que en la prctica estos trminos

son comnmente intercambiables o sea que se utilizan como sinnimos; para efectos de

este trabajo, se estableci que un sensor se entiende como transductor en la medida que se

tenga una variable a medir y se requiera de una seal elctrica de salida. Adems estos

pueden ser de tipo invasivo, esto se refiere a que el sensor debe estar en contacto directo

para detectar o transformar la variable fsica y de de tipo no invasivo, esto es que el sensor

puede detectar o transformar la variable fsica sin necesidad de estar en contacto directo.

Figura N 1Componentes bsicos de un sensor [10]

En estos dispositivos es necesario utilizar circuitos de acondicionamiento, esto con

el objetivo de que el instrumento genere una seal elctrica normalizada, esto en el sentido

que las seales elctricas que se obtendrn sern magnitudes con un rango de valores

establecidas(normados) por alguna organizacin internacional como lo es la IEC, IEEE, e

ISA entre otras; Esto se da porque las seales de los instrumentos, en este caso de tipo

analgicas, deben ser conectadas a algn controlador del proceso, como es el caso de los

PLC y otros medios de control, los cuales tienen mdulos especiales que convierten las

seales analgicas a digitales (convertidores analgicos-digital) y estos se fabrican bajo

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normas y estndares para aceptar cierto rango de corriente y voltaje a la entrada del

convertidor en un rango normalizado de 4 a 20 mA o de 1 a 5Vdc.

En la industria existen principalmente seis tipos de seales fsicas que requieren

ser medidas: magnticas, elctricas, pticas, mecnicas, trmicas y moleculares, y dado que

en donde se mide no es conveniente extraer energa, se utiliza el transductor para amplificar

la seal, esto con la ayuda de amplificadores electrnicos. Adems en algunas aplicaciones

es ms conveniente la transmisin de seales elctricas, dado que estas son ms verstiles

que una seal de tipo mecnica, hidrulica o neumtica. Otra ventaja importante, es que

existen muchos medios para almacenar, registrar, procesar y presentar la informacin

electrnica.

2.1.3 Transductor analgico

Los transductores analgicos proporcionan una seal analgica continua, por

ejemplo voltaje o corriente elctrica. Esta seal puede ser tomada como el valor de la

variable fsica que se mide.

Figura N 2Esquema bsico de un sensor analgico [9]

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El sensor analgico debe poseer ciertas propiedades indispensables como:

calibracin, rango de funcionamiento, confiabilidad, velocidad de respuesta, exactitud

precisin, sensibilidad, linealidad entre otros. Esto con el fin de que el control de la variable

que se mida, se lleve a cabo de la mejor manera y en el menor tiempo posible.

2.1.4 Clasificacin de los sensores

Los sensores pueden ser clasificados por diferentes criterios:

2.1.4.1Funcionamiento

a) Sensores de deflexin: en este tipo de sensores, la deformacin de un material

se emplea para medir una magnitud fsica.

b) Sensores de comparacin: como su nombre lo indica se basa en la comparacin

de fuerzas aplicadas, este funcionamiento se puede observar en las balanzas,

donde el operario coloca un cuerpo de igual masa al que se mide, con el objetivo

de encontrar un balance entre ambos pesos que permita mantener el equilibrio.

2.1.4.2Segn su aporte de energa

Se pueden dividir en moduladores (activos) y generadores (pasivos); los modulares

se caracterizan por utilizar una fuente de energa auxiliar para alimentar la seal de salida,

mientras que en los pasivos la energa de la seal de salida es suministrada por la entrada.

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2.1.4.3Segn el tipo de salida

Esta clasificacin se hace segn el tipo de seal a ser medida, la cual puede ser

analgica o digital.

2.1.4.4Segn el orden

Tambin pueden ser clasificados segn el orden: primero, segundo o de orden

superior. Esta clasificacin se hace segn el nmero de elementos almacenadores de

energa independientes que contenga el sensor.

2.1.4.5

Segn el tipo de variable fsica a medir

La clasificacin subdivide a los sensores de acuerdo a la magnitud fsica por medir,

tal es el caso de caudal, temperatura, presin, nivel, entre otros.

Para este trabajo se realiz una clasificacin, primero con el criterio de que la seal

elctrica generada es de tipo analgica y segundo, el tipo de de variable fsica medida,

como se muestra en la tabla 1.

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Tabla N 1 Clasificacin de los sensores

Seal de salida Magnitud Fsica Transductor

Analgica Posicin lineal o angular Potencimetros

Analgica

Pequeosdesplazamientos o

deformaciones

Transformadores diferenciales (LVDT)

Galgas extensiomtricas

AnalgicaVelocidad lineal o

angularDinamos Tacomtricas

Analgica Aceleracin Acelermetros

Analgica Fuerza y Par Medicin indirecta(mediante galgas otransformadores diferenciales)

Analgica Nivel Capacitivos

Analgica Presin

Membrana + detector dedesplazamiento

Piezoelctricos

Analgica Caudal

Presin diferencial(Diafragmas/tubos de Venturi )

De Turbina

Magntico

Analgica Temperatura

Termopares

Termo resistencias (PT100)

Resistencias NTC

Resistencias PTC

Analgica Sensores de presencia oProximidad

Inductivos

Capacitivos

Ultrasnicos

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2.2 Clasificacin y funcionamiento de los sensores

En este captulo se describieron los principios fsicos de funcionamiento de los

diferentes sensores de acuerdo a la magnitud fsica medida.

2.2.1 Sensores de posicin lineal o angular

Los transductores de posicin se utilizan para determinar la posicin de un objeto

con respecto a un punto de referencia. Las posiciones pueden ser lineales o angulares.

Un transductor de posicin como el mostrado en la figura 3- a) consiste en un

potencimetro conectado al objeto que se desplaza, el cual al moverse varia la resistencia

del mismo y por lo tanto es posible calcular de manera electrnica el cambio de posicin

que es proporcional a el cambio de posicin. Estos se conocen como transductores

resistivos de desplazamiento, y pueden medir tanto movimiento lineal como rotacional.

Son relativamente econmicos, el principal inconveniente en el empleo de

potencimetros es el desgaste que se produce en el elemento mvil.

Figura N 3Esquema de un potencimetro a) lineal y b) angular [11].

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Los medidores de ngulos o transductores de desplazamiento angular son poco

utilizados en los sistemas de control, fundamentalmente se utilizan cuando se desea medir

la variacin producida en el eje rotor de un sistema motor-reductor. Al igual que en los

transductores lineales, podemos construir transductores angulares aprovechando el efecto

resistivo (potencimetros), inductivo y capacitivo.

2.2.2 Sensores de Pequeos desplazamientos o deformaciones

Los sensores de desplazamiento, son un tipo de sensores usados para medir

longitud, los cuales tienen la precisin para medir desde unos cuantos micrmetros hasta

unos metros.

Uno de los sensores de desplazamiento, ampliamente utilizado es el transformador

diferencial de variacin lineal (LVDT), el cual se observa en la figura 4.

Figura N 4- Representaciones de un LVDT a) forma real y b) diagrama [8]

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15

De la figura 4-a) se observa que un LVDT es un dispositivo electromecnico que

consiste de dos componentes: Un cuerpo hueco cilndrico que contiene dos bobinados

secundarios idnticos los cuales estn posicionados en ambos lados del bobinado central

primario y un ncleo de ferrita cilndrico se mueve libre longitudinalmente dentro de la

bobina.

Su funcionamiento fsico se observa en la figura 4-b) y se da aplicando una seal

alterna de excitacin al bobinado del primario, genera un campo magntico que se acopla a

los bobinados del secundario a travs del ncleo de ferrita mvil, por esto se inducen

voltajes en los secundarios.

Cuando el ncleo est centrado entre los dos secundarios, los voltajes inducidos en

ambos secundarios son iguales y puesto que estn conectados en serie en oposicin, el

voltaje final ser cero. Si el ncleo se mueve en direccin del secundario 1, el voltaje

incrementa, y el voltaje del secundario 2 decrece; de este modo el voltaje neto final V1-V2

y ser de la misma polaridad que el de referencia. Si el ncleo se mueve en direccin

opuesta, V1-V2 ser de polaridad opuesta.

De este modo, como que el ncleo de ferrita se mueve a lo largo de su eje, dentro

del LVDT, el voltaje de salida empieza con una polaridad, decrece completamente a cero,

despus incrementa con polaridad opuesta, todo de una manera continua y suave.

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Figura N 5- Variacin del voltaje de salida respecto a la posicin delncleo [8]

Las principales ventajas de este tipo de transductores son su sensibilidad y lo poco

que son afectados por la humedad.

2.2.3 Sensores de velocidad

La medicin de velocidad angular tiene gran relevancia en las aplicaciones

industriales. Esto se realiza mediante los tacmetros, que pueden ser mecnicos o

elctricos.

Tacmetros mecnicos: El ms sencillo es el contador de revoluciones. Consiste en

un tornillo sin fin que se acopla al eje cuya velocidad se quiere medir.

Tacmetros elctricos: a) Dinamos Tacomtricas (tacodinamo), estos proporcionan

una seal de corriente continua. Estn constituidos por un inductor que genera un campo

magntico mediante imanes permanentes o electroimanes y un inducido o rotor ranurado

sobre el que se bobinan unos devanados de hilo conductor. Suelen tener una sensibilidad

entre 5 y 10 mV por cada r.p.m. y pueden medir velocidades de hasta 10000 r.p.m.

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17

Figura N 6 Construccin bsica de un tacodinamo [11]

b) Alternadores tacomtricas (taco alternador), estos proporcionan una seal alterna

senoidal con frecuencia y amplitud proporcionales a la velocidad de rotacin.

A diferencia de las dinamos tacomtricas, el elemento que gira es el rotor formado

por un imn permanente. Tiene la ventaja frente a la tacodinamo que no utiliza colector y

escobillas, lo que le dota de mayor duracin. Adems tiene una sensibilidad comprendida

entre los 2 y 10 mV por cada r.p.m. y permite la medida de mayores velocidades que los

taco dinamos.

2.2.4 Sensores de fuerza

El mtodo que tiene por objeto la medida de las deformaciones superficiales de los

cuerpos, se denomina Extensometra.

Una fuerza/par se puede transducir principalmente de dos maneras; la primera es

comparndola con otra conocida, por ejemplo en una balanza, y la segunda es aplicando la

fuerza/par a un elemento elstico denominado clula de carga. En las clulas de carga

elctricas el efecto es una deformacin que se medir normalmente con galgas

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extensiomtricas, en el caso de de las hidrulicas y neumticas, se tiene que el efecto es un

aumento de la presin ya sea de un lquido o de un gas, segn sea el caso.

Las galgas extensiomtricas, es un procedimiento ampliamente utilizado para

convertir las deformaciones en seales elctricas proporcionales. Como se observa en la

figura 7, estas se basan en la variacin de longitud y de dimetro y por lo tanto de

resistencia, que tiene lugar cuando un hilo de resistencia se encuentra sometido a una

tensin mecnica por la accin de una presin.

Figura N 7 Construccin bsica de una galga extensiomtrica [11]

Existen varios tipos de galgas extensiomtricas, dentro de las cuales se pueden

mencionar:

a) Galgas extensiomtricas semiconductoras: el elemento sensible es una banda de

cristal semiconductor con cierto grado de contaminacin. Su salida no es lineal

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con respecto a la deformacin unitaria pero presentan histresis y tienen una

larga vida con respecto a la fatiga.

b) Galgas extensiomtricas de resistencia elctrica: cuando se sujeta una longitud

de cable dentro de su lmite de tensin, ocasiona que se incremente la longitud,

que se de un decremento del dimetro, y que cambie su resistencia elctrica,

entonces el material conductor es unido a un elemento elstico en condiciones

de deformacin, y es posible medir el cambio en la resistencia y con esto se

puede calcular la fuerza. Para la fabricacin de este tipo de galga se utilizan

aleaciones de Nikel-Cromo, Cobre-Nikel, Platino-Tungsteno.

Adems de las galgas extensiomtricas, se pueden utilizar los transductores de

efecto piezoelctrico, los cuales tienen la caracterstica de ser ligeros, de pequeo tamao y

de construccin robusta.

Como se muestra en la figura 8, se presentan de dos tipos: resistivo y capacitivo. En

los resistivos la presin desplaza un cursor a lo largo de una resistencia a modo de

potencimetro cuyo valor se modifica proporcionalmente a la presin aplicada. En los

capacitivos se mide la presin por medio de un diafragma metlico que constituye una de

las placas del condensador. Cualquier cambio de presin hace variar la separacin entre el

diafragma y la otra placa, modificndose la capacidad del condensador.

En los transductores piezoelctrico, su seal de respuesta a una variacin de presin

es lineal y son adecuados para medidas dinmicas, al ser capaces de respuestas

frecuenciales de hasta un milln de ciclos por segundo. Tienen la desventaja de que su

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seal de salida es bastante dbil, por lo que se requiere colocarles amplificadores y

acondicionadores de seal, adems son muy sensibles a los cambios de temperatura.

Figura N 8 Tipos de transductores piezoelctricos [13]

En este tipo de transductores es tpico encontrar el cuarzo y el titanato de bario,

dado que le proporcionan la capacidad de soportar temperaturas del orden de 150 C en

servicio continuo y de 230 C en servicio intermitente. Son buenos en casos

extremadamente rpidos, como es el caso de impactos y golpes en prensas.

2.2.5

Sensores de nivel

A partir de la medida de nivel de un lquido en un tanque conociendo su geometra,

dimensiones y densidad, puede determinarse el volumen y la masa. Algunos transductores

elctricos de nivel son:

Medidor de nivel de flotador magntico: este consiste en un flotador que se desliza

a lo largo de un tubo gua colocado verticalmente en el interior del tanque, este flotador

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posee un imn, en su movimiento, arrastra a otro ms pequeo que esta dentro del tubo

gua. El segundo imn est sujeto a un cable el cual mueve un ndice en una escala exterior.

Medidor de nivel de tipo desplazamiento: presenta un flotador parcialmente

sumergido en el lquido y conectado mediante un brazo a un tubo de torsin unido

rgidamente al tanque.

Medidor de presin diferencial: tiene un diafragma en contacto con el lquido del

tanque, que mide la presin hidrosttica en un punto del fondo de un tanque, en un tanque

abierto la presin hidrosttica es proporciona a la altura del lquido en ese punto y a su peso

especfico.

P = H (2.1)

P = presin1

H = altura1

= peso especfico del lquido1

Medidor de nivel conductivo: posee uno o varios electrodos y un rel electrnico

que es excitado cuando el lquido moja dichos electrodos.

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2.2.6 Sensores de presin

Esta medida es comn en procesos que involucran gases y lquidos, los

instrumentos de medicin se clasifican en tres grupos: mecnicos, electromecnicos, y

electrnicos.

Los ms comunes son los mecnicos, estos a su vez se subdividen en dos mtodos

de medicin:

a)

Por medio de la comparacin con una presin conocida: la diferencia entre la

presin que desea medirse (P) y la presin de referencia provoca un

desplazamiento del lquido contenido en el tubo, como se muestra en la figura 9.

Siendo g la aceleracin de la gravedad y la densidad del lquido, el desnivel

provocado (h) es:

g

PPh

ref

.

= (2.2)

b) b) Por efecto de la presin sobre un elemento elstico: al ejercer presin sobre

un elemento elstico este se deforma, provocando un desplazamiento funcin de

la presin ejercida medible mediante un sensor de pequeos desplazamientos.

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Figura N 9 Manmetro lquido en forma de "U" [10]

Una aplicacin de este tipo es el diafragma, el cual es ampliamente utilizando,

consiste en una membrana cuya deflexin en su parte central es dependiente de la presin

ejercida sobre la misma. La sensibilidad del diafragma aumenta al aumentar su rea y

disminuye al aumentar espesor de la misma, un ejemplo de este tipo de transductor es el de

tubo Bourdon que se muestra en la figura 10. Este es un tubo de seccin elptica, y curvado

de manera que forma un anillo casi perfecto. Al aplicar presin al fluido contenido en su

interior, el tubo tiende a enderezarse, transmitindose el movimiento de su extremo (por un

sistema de engranaje) a una aguja que se desplaza por una escala graduada.

Figura N 10 Esquema de un tubo Bourdon [13]

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2.2.7 Sensores de flujo y caudal

Para medir el caudal, se puede realizar de varias formas segn sea el tipo de fluido,

de presin deseada, el control que se requiera y el tipo de caudal.

Se denomina flujo al movimiento de fluidos por canales o conductos abiertos o

cerrados. El caudal es la cantidad de material, en peso o volumen, que fluye por unidad de

tiempo.

Los medidores volumtricos, son un gran grupo de sensores que realizan las

mediciones con elementos que dan lugar a una presin diferencial al paso del fluido.

Dentro de los sensores ms destacados de este tipo estn:

a) La placa-orificio o diafragma: este es un sistema que consta de una placa

perforada, en donde se da una restriccin de flujo de rea constante, la presin

va a depender del flujo que atraviesa la restriccin. Utilizando un sensor de

presin, se obtiene la presin diferencial la cual es proporcional a la raz

cuadrada del caudal. con esto se obtiene la medida del caudal.

b) La tobera: esta se ubica en la tubera con dos tomas, presenta una toma anterior

y una posterior, este sistema permite caudales 60 % mayores a los que permite

la placa-orificio, cuando ambas estn en el mismo servicio.

c)

El tubo pitot: este instrumento mide la presin dinmica, o sea mide la

diferencia de la presin total y la esttica. Es sensible a variaciones de velocidad

en la seccin trasversal del tubo, y se emplea generalmente para medir grandes

caudales.

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d) Medidor de turbina:

Los medidores de turbina consisten en un rotor que gira al paso del fluido con

una velocidad directamente proporcional al caudal.

Figura N 11Medidor de turbina [13]

La velocidad del fluido ejerce una fuerza de arrastre en el rotor; la diferencia de

presiones debida al cambio de rea entre el rotor y el cono posterior ejerce una

fuerza igual y opuesta. De este modo el rotor est en equilibrio

hidrodinmicamente y gira entre los conos anterior y posterior sin necesidad de

utilizar rodamientos axiales evitando as un rozamiento que necesariamente se

producira.

e)

El tubo annubar: Este es la innovacin del tubo pitot, el cual consta de un tubo

que mide la presin total, este tubo esta dispuesto a lo largo de un dimetro

transversal, presenta una serie de orificios, todos de dimetros iguales que

captan el caudal, otro tubo en su interior se encarga de promediar las presiones

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obtenidas. Posterior a se encuentra el tubo de presin esttica con un orificio en

el centro. se le conoce tambin con el nombre de tubo pitot de canal cerrado.

f)

El rotmetro: consiste en un medidor de caudal de rea variable, en el cual un

flotador cambia de posicin dentro de un tubo, el cambio de posicin es

proporcional al flujo del fluido.

2.2.8 Sensores de temperatura

La obtencin de medias de temperatura, es de las ms frecuentes y de mayorimportancia en la automatizacin industrial, es por esto que se vuelve cada vez ms

importante tener una comprensin clara de las ventajas y desventajas de los distintos

mtodos de medida de esta variable, para lograr que sistema sea el ptimo.

Dentro de los sensores empleados para la medida de la temperatura, estn los

basados en resistencias trmicas, bsicamente son un enrollamiento de hilo muy fino del

conductor entre capas de material aislante, estos son colocados dentro de distintos

encapsulados no conductores como el vidrio o la cermica.

2.2.8.1Resistencia Trmica

Lo constituyen las RTD (Resistance Temperature Detector) o PT100 basadas en la

dependencia de la resistividad de un conductor con la temperatura, estn caracterizadas por

un coeficiente de resistividad positivo PTC (Positive Termal Coefficient). Tambin lo son

las NTC (Negative Termal Coefficient), que se llaman termistores y estn caracterizadas

por un coeficiente de temperatura negativo.

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Figura N 12Estructura bsica de una RTD [8]

El principio de funcionamiento es la variacin su resistencia expresada en ohmios

por cada grado que cambia la temperatura su temperatura. Esta relacin se muestra en la

siguiente expresin.

)1(0 tRRt += (2.3)

R0 = resistencia en ohmios a 0 C1

Rt = resistencia en ohmios a t C1

= coeficiente de temperatura de la resistencia1

Algunos metales utilizados son: cobre, platino y nquel. La figura 13, muestra el

diagrama de uno de esos sensores basados en una pelcula de platino. La resistencia normal

vara entre unos cuantos ohms y kilohms, siendo 100uno de los valores ms comunes.

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Figura N 13 Sensor de temperatura con pelcula de aluminio [4]

Su mayor ventaja es que son bastante estables y se pueden representar de forma

lineal. Por otro lado su desventaja es su sensibilidad, ya que es muy corta, pues solo varia

alrededor de 0.4 /C de cambio en la temperatura para los compuestos de platino y

0.7 /C para los basados en nquel.

2.2.8.2Bimetal

Se tiene que algunos sensores de temperatura empleados en la automatizacin

industrial, funcionan con base a una pieza formada por dos metales con distinto coeficiente

de dilatacin trmica, estos se encuentran fuertemente unidos, esta pieza comnmente se

conoce como Bimetal. La idea de unir y utilizar estos dos metales consiste en exponerlos a

cambios de temperatura, de tal manera que los metales se expanden o contraen de manera

que forman un arco uniforme. Midiendo el radio de la curvatura de este arco es posible

determinar la temperatura. En la figura 14, se muestra la expansin o contraccin cuando se

pasa de una temperatura inicial T1 a una temperatura T2. Lo comn es que la unin

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Bimetal emplee metales con similares mdulos de elasticidad y espesor, de esta manera, el

radio es definido por la siguiente relacin:

))((3

2

12 TT

er

BA

(2.2)

Se puede apreciar entonces que la curvatura es inversamente proporcional al cambio

de temperatura, de esta forma con un sensor de posicin o de desplazamiento es posible

medir el cambio de temperatura. Por lo general el grosor de las placas vara entre los 3 mm

y 10 m. El mbito de funcionamiento de estos dispositivos va desde -75C a 540C.

No solo se emplean como laminas, tambin se les dispone en hlice, espiral y otras

configuraciones y se les mide el desplazamiento o la fuerza.

Figura N 14 Bimetal [12]

Otro tipo de sensor de temperatura son los termistores, estos son ampliamente

utilizados, consisten en un pequeo semiconductor con forma de placas o discos.

En estos sensores los semiconductores electrnicos presentan un coeficiente de

temperatura negativo de valor elevado y presentan una curva caracterstica lineal

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tensin-corriente, siempre y cuando la temperatura se mantenga en un valor constante. La

relacin entre resistencia y temperatura se expresa mediante la siguiente expresin.

)11

(

00TT

tteRR

=

(2.3)

Rt = resistencia en ohmios a la temperatura absoluta1.

R0 = resistencia en ohmios a la temperatura absoluta de referencia T01

.

= constante dentro de un intervalo moderado de temperaturas1.

Comnmente estn fabricados de mezclas de distintos xidos metlicos de cobalto,

nquel y manganeso y son por lo general encapsulados en vidrio. La relacin entre la

temperatura y la resistencia no es lineal.

Una de sus desventajas es el hecho de que sus mbitos de funcionamientos no son

muy amplios, generalmente van de -100C a 200C. En muchos casos este tipo de

dispositivos son empleados en control de temperatura, donde se requiera de una rpida

respuesta y su no linealidad no afecte la medicin.

2.2.8.3Termopar

El termopar o termocupla, este sensor se basa en el efecto de la circulacin de una

corriente en un circuito formado por dos metales diferentes, cuyas uniones se mantienen a

distinta temperatura (unidos en un extremo y abierto en el otro), producen un pequeo y

nico voltaje segn la temperatura, como se ejemplifica en la figura 15.

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Figura N 15 Principio del termopar [11]

El fenmeno es debido a dos efectos: (Peltier y Thomson). El efecto Peltier

provoca la liberacin o absorcin de calor en la unin de dos metales distintos cuando

circula una corriente a travs de la unin.

El efecto Thomson consiste en la liberacin o absorcin de calor cuando una

corriente circula a travs de un metal homogneo en el que existe un gradiente de

temperatura.

La tensin que pasa por el extremo abierto es funcin de la temperatura de la unin

de los metales utilizados. La unin del termopar nos proporciona una Tx (temperaturadesconocida: unin de medida), en el extremo abierto se tiene Tref (temperatura fija

conocida: unin de referencia) y midiendo el valor de V por medido de un voltmetro,

se puede calcular el valor de Tx mediante la ecuacin:

refx TTV = (2.4)

Dado que los voltajes que generan los diferentes tipos de termocuplas, estn

estudiadas y documentadas, es posible obtener tablas que asocian un voltaje determinado

con una temperatura, por lo que en aplicaciones prcticas se utilizan tablas de calibracin.

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Las termopares se clasifican de acuerdo a sin son metlicas o no, dentro de

las metlicas se encuentran las de tipo E, J, K y T, se utilizan para temperaturas hasta de

1000C, mientras los no metlicos como los tipos S, R, B se utilizan para temperaturas de

hasta 2000C.

Dentro de las ventajas de las termopares se pueden mencionar: su bajo costo,

rpida respuesta a cambios de temperatura y que poseen un amplio rango para la medicin

de la temperatura.

Entre las desventajas, se puede mencionar su baja sensibilidad, generalmente en el

rango de 6.5 a 80V/C, adems proporcionan voltajes bajos que pueden ser afectados por

ruido y finalmente dado que este es un dispositivo que vara su comportamiento de acuerdo

a su temperatura tiene rangos de operacin no- lineales que pueden ocasionar problemas.

2.2.9 Sensores de presencia o proximidad

Se denominan as a cualquier dispositivo elctrico, electromecnico o electrnico

que reaccione de forma detectable ante un objeto situado en un entorno definido del mismo.

El entorno de reaccin define el campo de sensibilidad. Para que la reaccin se produzca,

slo se precisa la proximidad fsica entre el objeto y el detector sin que haya ningn tipo de

contacto mecnico entre ellos.

En funcin del sistema detector se clasifican en:

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2.2.9.1Detectores de proximidad inductivos

Son todos los dispositivos detectores de proximidad que utilizan un campo

magntico (estacionario o variable) como fenmeno fsico aprovechable para reaccionar

frente al objeto que se quiere detectar. Su funcin depende del material ante el que es

capaz de reaccionar.

En el caso de los sensores de proximidad inductivos, se tiene que un ncleo de

ferrita con un bobinado oscilante genera por encima de la cara sensible (parte frontal del

sensor) un campo magntico variable; en el momento que se introduce una pieza metlica

en el campo magntico, se producen corrientes que influencian el oscilador, provocando

una debilitacin del circuito oscilante, por este motivo se da una disminucin en la

amplitud de las oscilaciones, las cuales son detectadas por un circuito que determina una

seal de salida para esa medicin.

Figura N 16 Principio fsico del transductor inductivo [7]

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Figura N 17Forma ms comn del transductor inductivo [7]

2.2.9.2Detectores de proximidad capacitivos

La cara activa de un detector capacitivo est formada por dos electrodos metlicos,

colocados concntricamente. Las caras de los electrodos A y B, mostrados en la figura 18,

forman un acoplamiento reactivo con un oscilador de alta frecuencia, regulado de tal

manera que no provoca interferencias en caso de no deteccin.

Figura N 18 Estructura bsica del transductor capacitivo [7]

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Si un objeto se aproxima a la cara activa del detector, se introduce en el campo

elctrico de los electrodos, provocando un aumento del acoplamiento capacitivo entre las

placas A y B y el oscilador se activa.

Figura N 19 Principio fsico del transductor capacitivo [7]

Finalmente un amplificador analiza la amplitud de esta oscilacin y la transforma

en una seal definida.

2.2.9.3

Detectores de proximidad pticos

Los hay para distancias grandes y pequeas, por eso a veces slo se les denomina

detectores pticos.

Tambin se les suele llamar fotoclulas. Utilizan medios pticos y electrnicos para

detectar objetos. Para ello utilizan un luz roja (visible) o infrarroja (invisible). Como fuente

de luz se utilizan diodos o transistores emisores de luz.

Los detectores de luz roja se ajustan mejor que los de luz infrarroja. La luz

infrarroja es menos susceptible a las interferencias producidas por la luz ambiental.

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Estos detectores constan de un emisor y un receptor. La deteccin se realiza por

reflexin, al devolver el objeto la luz recibida, o por barrera.

Pueden detectar cualquier tipo de objetos o productos: slidos o lquidos.

A su vez los sensores pticos se dividen en: directos, en estos el receptor y el emisor

estn en el mismo cuerpo (reflex y reflexin directa). Los que presentan fibras pticas

acopladas, el receptor y emisor no estn en el mismo cuerpo (barrera). En ambos casos la

luz es modulada por infrarrojos y por tanto insensible a luces parsitas. La distancia de

deteccin en el caso de los de reflexin puede variar segn el calor y el grado de brillo de

producto.

2.2.9.4Detectores de proximidad ultrasnicos

El principio de funcionamiento de estos transductores es la deteccin por

ultrasonido, miden el tiempo transcurrido entre la emisin de una onda ultrasnica y la

recepcin de su eco.

Este transductor genera y enva una onda, en el momento en que la onda se

encuentra un objeto, esta rebota y se da una onda reflejada (eco), que vuelve hacia el

transductor. Internamente en el instrumento, un micro controlador analiza la seal recibida

y mide el intervalo de tiempo entre la seal enviada y la recibida.

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Figura N 20 Principio del transductor ultrasnico [7]

Alcance nominal Sn: es el valor convencional o ms comn para designar el alcance

de la medida.

Zona ciega: en esta zona no puede detectarse ningn objeto de forma fiable.

CAPTULO 3: Principales caractersticas de los sensores

En este captulo se estudiaron las principales caractersticas de los transductores

analgicos enunciados en la tabla 1, para ello se tomaron caractersticas de varios

fabricantes para brindar una nocin de lo que se puede encontrar realmente en el mercado.

3.1 Sensores de posicin lineal o angular

Los transductores lineales funcionan como divisores de tensin que modifican su

relacin en funcin del desplazamiento que experimenta su cursor. El desplazamiento que

pueden alcanzar va de 10 a 300 mm con linealidades comprendidas entre 0,05% y 1%.

.

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Para poder acondicionar la seal proveniente del transductor, se colocan mdulos

electrnicos externos que proporcionan seales 0 - 20mA y de 4 - 20mA.

Los potencimetros angulares nos permiten medir el ngulo de desplazamiento de

un cuerpo mediante una resistencia de valor variable segn el posicionamiento, sobre la

banda resistiva, de un cursor en contacto con el eje de giro del transductor. Principalmente

podemos diferenciar entre transductores de una vuelta o multi-vuelta y dependiendo del

modelo elegido podemos escoger rangos de medida que van desde los 180 hasta los 3.600

y seales de salida de 1- 4,7 - 5 - 10 k02 4 mA.

3.1.1 Caractersticas

Tabla N 2 Caractersticas de los potencimetros

Linealidad 1%

Potencia nominal 1WTemperatura de funcionamiento -65 C a 125CLinealidad No muy buenaResolucin Se reduce debido a la resistencia de contacto

3.1.2

Principales aplicaciones industriales

Cuando la distancia que se va a medir no supera algunos metros, se utiliza un

potencimetro acoplado sobre un eje roscado, cuyo movimiento determina la posicin delelemento mvil cuya posicin se quiere medir.

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Por lo general, los potencimetros son poco utilizados, a pesar que presentan ciertas

ventajas como la de ser de muy bajo costo.

Por otro lado son muy sensibles a la temperatura y se afectan fcilmente en

ambientes hmedos o con mucho polvo y presentan desgaste por el contacto.

Figura N 21 Diferentes tipos de potencimetros [8]

3.2 Transformadores diferenciales (LVDT)

Bsicamente este dispositivo, es un transductor electromecnico capaz de

convertir el movimiento rectilneo que realiza un objeto al cual est mecnicamente unido,

en una seal elctrica recproca.

3.2.1

Aplicaciones industriales ms comunes

Pueden utilizarse como medidor de presin.

Pueden emplearse en instrumentos basados en flotadores como los rotmetros ydetectores de nivel.

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Se pueden utilizar para medir el desplazamiento que se generan en las clulas decarga.

3.2.2

Principales caractersticasA continuacin se presentan las caractersticas ms generales que podemos

encontrar en este tipo de instrumentos:

Tabla N 3 Caractersticas ms generales de un LVDT

Alimentacin 1-24 VrmsLinealidad 0,25%

Frecuencia optima 2KHzSensibilidad 0,1V/cm-40 mV/mResolucin mxima 0,1 mAlcance de medida 100m a 25cm

Repetitividad Alta por su simetraExactitud Muy buenaRobustez Alta

Dimensiones dependen de la marcaResistencia a la Humedad Alta

3.2.3 Otras caractersticas importantes

Imponen poca carga mecnica.

Son de contacto libre, es decir sin friccin.

Resisten ambientes hostiles.

Rpida respuesta dinmica.

Es un dispositivo de salida absoluta o sea que en caso de perdida de

alimentacin los datos no se perdern.

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3.2.4 Materiales ms comunes utilizados en su fabricacin.

Se tiene que en estos sensores, sus tres devanados (primario y los dos secundarios),

se encuentran recubiertos con una sustancia impermeable para que de esta manera se

puedan utilizar en lugares con humedad ambiental elevada. El ncleo es una aleacin de

hierro y nquel, y est laminado longitudinalmente para reducir las corrientes de Foucault.

Figura N 22 Varios tipos de LVDT [11]

3.2.5 Marcas ms comunes en el mercado.

AECOR, PEPPERL+FUCHS, DIELL, TRUCK, BERO, SIEMENS.

3.2.6 Principales Ventajas

Extremadamente preciso

Alta resolucin

Larga vida

Excelente resistencia a ambientes difciles como humedad y polvo.

Fcil instalacin.

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3.3 Galgas extensiomtricas de resistencia variable

Las galgas extensiomtricas se fundamentan en el efecto piezoresistivo. Por lo que

este tipo de dispositivo se basa en la variacin de la resistencia de un conductor o un

semiconductor cuando es sometido a un esfuerzo mecnico.

3.3.1 Aplicaciones industriales comunes

Son muy utilizadas para medir Fuerza y Par.

Es utilizada en bsculas electrnicas.

Ampliamente utilizada para medir deformaciones.

Utilizado en bsculas de precisin.

3.3.2 Principales caractersticas

Tabla N 4 Caractersticas ms generales de una galga extensiomtrica de efectopiezoresistivo

Linealidad Poseen amplio rango donde su respuesta eslinealRespuesta en frecuencia Buena respuesta a altas frecuencias

Calibracin La calibracin es estable

Variable elctrica que cambia Resistencia

Reproducibilidad Excelente

Rangos de medicin Rango de 5 N a 100 kN

Temperatura -75 a 175 C, -269 A 230C, otros.

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3.3.3 Materiales ms comunes utilizados en su fabricacin

Con respecto a los materiales ms usados para la manufactura de las galgas son las

aleaciones de Cobre-Nikel, Nikel-Cromo, Nikel-Cromo-Molibdeno y Platino- Tungsteno.

Figura N 23 Apariencia de las galgas de efecto piezoresistivo [9]

3.3.4 Marcas ms comunes en el mercado.

STW, HBM, SMD, INELTA

3.4

Dinamo tacomtricas

Es un dispositivo que mide la velocidad angular de un eje giratorio. Las unidades

ms comunes para expresar la velocidad angular son rotaciones por minuto (r/min) y

radianes por segundo.

Figura N 24 Dinamo tacomtricas conectada a un motor [7]

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Tabla N 5 Caractersticas ms generales de un dinamo tacomtricas

Tensin de salida por cada 1000rpm 0.52 VMxima corriente recomendada 10mA

Tolerancia de la tensin de salida 15 %Rango de temperaturas -20C a 65C

Linealidad con carga resistiva de 10K 0.7%Error en inversin 1%

Resistencia en los bornes 56.6

El error de inversin se refiere a la diferencia de tensin cuando el motor y el

dinamo giran en diferente sentido.

En la actualidad este dispositivo no se utiliza tanto como en aos atrs, debido a

que han sido suplantados por los encoders digitales.

3.5

Sensores de nivel capacitivos

Estos sensores son ampliamente utilizados en la industria, actualmente se les puedeencontrar tanto para aplicaciones invasivas como para procesos rigurosos que requieran un

censado no invasivo.

3.5.1 Tipo invasivos

Para este censado se requiere que el dispositivo se encuentre prximo al elemento

que se desea ser medido, para el caso concreto del nivel en un tanque, este tipo de

dispositivo, requieren que se realice pequeo agujero en el contenedor, de tal manera que el

sensor entre en contacto con el material a medir. Actualmente la tecnologa le permite a

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estos sensores utilizar sellos en plstico, esto para que no haya ningn metal expuesto en

cualquier parte en el sensor y que de esta manera se pueda realizar la medicin de lquidos

semiconductores, sin que se den problemas. Ciertas marcas de estos sensores, garantizan

una correcta medicin en ambientes explosivos y corrosivos.

Figura N 25 Sensor capacitivo invasivo [10]

3.5.1.1Caractersticas

Tabla N 6 Caractersticas ms generales de un sensor de nivel

capacitivo tipo invasivo

Voltaje nominal 8.2 Vdc

Cambio de corriente resultante 2.2mA a 1.0mA

Repetitividad 2% del rango de distancia fijada

Inmunidad a la radiacin de campos

electromagnticos

10 m/V

80 a 1000MHz

Inmunidad a alas descargas

electrostticas

4KV en contacto directo

8 KV aerotransportado

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3.5.1.2Aplicaciones industriales comunes

Estos sensores son capaces detectar el nivel de fluidos y de materiales

granulados o polvorientos, como el caso de granos como el arroz y la soja.

Control de nivel de lquidos tanto explosivos como no explosivos

Inspeccin de recipientes con un determinado nivel de producto

Deteccin de pequeas partes metlicas

3.5.2

Tipo no-invasivos

Este tipo de sensores, son de huso frecuente en procesos alimenticios en donde los

estndares de produccin impiden que los sensores y otros instrumentos entren en contacto

directo con el material, es por esto, que para este tipo de aplicaciones se empleen sensores

ultrasnicos, los cuales realizan la medicin a travs de las paredes del contenedor.

Figura N 26 Sensor capacitivo no-invasivo [10]

El principio de funcionamiento es el envo de ondas sonoras a travs del tanque, por

lo que el dispositivo mide el grado de eco que se produce cuando el tanque esta en el nivel

deseado.

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Estos dispositivos tienen la capacidad de realizar medidas en tanques con un

espesor de de 5.5 mm hasta os 10 mm.

Figura N 27 Sensor capacitivo no-invasivo de nivel [10]3.5.2.1Aplicaciones industriales ms comunes

Se utilizan en procesos industriales con estrictos estndares de produccin, como es

el caso de la industria alimenticia, en la fabricacin de productos altamente peligrosos o

explosivos, en la produccin de productos esterilizados de uso mdico.


Tabla N 7 Caractersticas ms generales de un sensor de nivelcapacitivo tipo no-invasivo

Frecuencia 1 Hz

Temperatura de operacin -25 C a +70C

Retardo de encendido 1 a 10 segundos

Repetitividad 2% del rango de distancia fijadaVoltaje nominal 8.2 Vdc

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3.5.3

Materiales ms comunes utilizados en la fabricacin tanto para los no invasivoscomo para los invasivos.

Tabla N 8 Materiales comunes en la fabricacin de sensores capacitivos

Material Recomendacin

ABS(Acrylonitrile-butadiene-styrene)Resistente a impactos, cidos alcalinos,

alcohol aceitePA (Polyamide) Resistencia a temperaturas elevadas

PBT (Polybutylene Terephthalate) Resistente a la abrasin, a alcoholes, aceite.PUR (Polyuretane) Resistente a la abrasin, a impactos, aceite

PVC (Polyvinylchloride) Resistente a cidos, y esfuerzos mecnicos

3.5.4

Principales ventajas

Los sensores capacitivos de nivel poseen una extraordinaria versatilidad, ya que se

pueden instalar con gran facilidad en todo tipo de tanques, adems poseen un ajuste de

sensibilidad para algunos procesos que lo requieran, ciertos modelos permiten que se les

pueda adaptar un ajuste remoto, lo que es muy prctico cuando el instrumento se encuentra

localizado en lugares poco accesibles.

Algunos fabricantes han mejorado la inmunidad al ruido en sus sensores capacitivos

de nivel, ya que los procesos industriales estn sujetos a interferencias de ruido, esto

ocasiona efectos adversos en los elementos de medida, como mediciones inapropiadas o

poco fiables

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3.6 Sensores piezoelctricos para medir presin.

Estos sensores como su nombre lo indica, se basan en el efecto piezoelctrico para

realizar la deteccin. Bsicamente el efecto en estos sensores, es la aparicin de una

polarizacin elctrica en un material al deformarse bajo la accin de un esfuerzo.

3.6.1 Aplicaciones industriales ms comunes

Control de sistemas hidrulicos o neumticos a travs de un sistema de adquisicin

de datos.

Sensores de presin manomtrica, en donde se mide la presin respecto a la

atmosfrica, de modo que si la entrada de presin esta al aire, la salida de tensin

ser ceso.

Caso especial de presin diferencial, en donde el sensor tiene dos entradas de

presin y la salida es proporcional a la diferencia de ambas.

Figura N 28 Sensores de presin, a) manomtrica, b) diferencial [9]

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Tabla N 9 Caractersticas ms generales de los sensores de efectopiezoelctrico

Cambio de sensibilidad de25 C a 0C

25C a 50C10 % en el corrimiento (Span)

Cambio de sensibilidad a 1 psi 2.0 %de corrimientoCambio de sensibilidad a 100 psi 1.5 %de corrimiento

Repetitividad 0.20% de corrimientoHistresis 0.20%de corrimientoTiempo de respuesta 1 ms

Alimentacin 10 a 16 Vdc

3.6.3

Principales ventajas

Este tipo de sistema entrega una seal de salida proporcional a la presin muy

lineal, de gran precisin, sensibilidad y exactitud. Adems de una muy baja dependencia de

la temperatura.

3.7 Sensores para medir caudal

3.7.1 Tubo Venturi

El Tubo Venturi es un dispositivo que origina una prdida de presin al pasar por l

un fluido. En esencia, consta de una tubera corta recta, o garganta, entre dos tramos

cnicos. La presin vara en la proximidad de la seccin estrecha; as, al colocar un

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manmetro instrumento registrador en la garganta se mide la cada de presin y hace

posible calcular el caudal instantneo.

En el mercado se encuentran opciones para ser instalados ya sea soldados, roscados

o bridados, en el rango de a 72 .

Figura N 29 Tubo Venturi [2]


Tabla N 10 Caractersticas ms generales de los termopares

Rango de medicin 20 a 10000m3/hPrecisin 2%

Temperatura de funcionamiento 0 a 80 CPerfil de acoplamiento Norma ISA 1932

Exactitud %0.75%Vm

RequerimientosNo se ve afectado por partculas slidas o

burbujasCosto Elevado

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3.7.1.2Materiales ms comunes utilizados en su fabricacin

El tubo Venturi se fabrica con materiales diversos segn la aplicacin de destino, el

material ms empleado es acero al carbono, tambin se utiliza el latn, bronce, acero

inoxidable, cemento, y revestimientos de elastmeros para paliar los efectos de la

corrosin.

3.7.1.3Principales ventajas

Menor prdida de carga permanente, que la producida por del diafragma y la

tobera de flujo, gracias a los conos de entrada y salida.

Medicin de caudales superiores a un 60% a los obtenidos por el diafragma

para la misma presin diferencial e igual dimetro de tubera.

El Venturi requiere un tramo recto de entrada ms corto que otros elementos

primarios.

Facilidad para la medicin de flujo de lquidos con slidos en suspensin.

3.7.2 Medidor de turbina

El medidor de caudal tipo turbina, presenta un dispositivo conformado por bobinas

que generan un campo electromagntico en un sector de del dispositivo, en el interior se

tiene una turbina, la cual al ser atravesada por el fluido la hace girar y a su vez corta el

campo magntico generado por el dispositivo, esta interrupcin es interpretada por un

circuito y de esta manera se efecta la medicin del caudal.

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Se considera que estaos dispositivos deben emplearse solo cuando se trabaje

lquidos limpios o sea que no transportes materiales que puedan daar la turbina interna.

3.7.2.1Aplicaciones industriales ms comunes

En la industria es ideal para condiciones de alta temperatura y presin, incluyendo

gases, de los cuales se pueden mencionar metano, gas natural, CO2, los criognicos

hidrogeno, oxigeno, nitrgeno, otros como la gasolina, alcohol y otros muchos derivados

dependiendo del fabricante. Adems se utiliza para el control de caudal.

3.7.2.2

Caractersticas

Tabla N 11 Caractersticas ms generales del medidor de turbina

Voltaje de salida 1-5 V 1-10VCorriente de salida 4 a 20 mA

Temperatura de funcionamiento -260 a 537 CPerfil de acoplamiento Norma ISA 1932Operacin de alta presin 2,500-lb.ANSI

Precisin 5%Tiempo de respuesta 10ms

Capacidad de operacin tpica 3 a 56.7 m3/hPerdida de presin a operacin continua

mxima0.3 bar a 30 m3/h

Temperatura normalizada -50C a +130C

Seal de salida5 mV para caudal mnimo

hasta 500mV para caudal mximo

EstndarCuerpo EN1.4404Hlice EN 1.4416

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3.7.2.3Materiales utilizado en su construccin

Carcasa Bronce o Fierro fundido

Cono de direccin Termoplstico

Rotor Termoplstico

Cojinetes radiales del Rotor Termoplstico lubricado

Ejes Acero inoxidable

Cubierta Termoplstico

Figura N 30 Medidor de turbina [6]

3.7.2.4Principales ventajas

Los medidores de turbina estn diseados y fabricados para proveer servici a

largo plazo con un mnimo de mantenimiento.

Los medidores de turbina son ms pequeos y ms ligeros, y son preferidos para

fluidos de baja viscosidad.

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3.7.3 Medidor magntico

Este dispositivo emplea el principio del electromagnetismo, esto es cando un

conductor se mueve a travs de un campo magntico se genera una fuerza electromotriz en

el conductor, siendo su magnitud directamente proporcional a la velocidad media del

conductor en movimiento.

Figura N 31 Medidor magntico [6]


Este instrumento se puede dividir en dos secciones

El Tubo de caudal

Se compone del propio tubo, el cual se encuentra recubierto de un material no

conductor, adems cuenta con las bobinas generadoras del campo magntico y de los

electrodos, los cuales detectan el voltaje inducido en el fluido.

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El Transmisor

Este alimenta elctricamente a las bobinas con corriente alterna.

Convierte la seal de mV a la seal adecuada para los equipos de indicacin y de

control.

3.7.3.2Principales ventajas y desventajas

Dentro de las principales ventajas estn:

No se dan obstrucciones en el flujo, por esto son ampliamente utilizados para medir

suspensiones, barros y melazas.

No dan lugar a prdidas de carga, por lo que son adecuados para su instalacin en

grandes tuberas de suministro de agua, donde es esencial que la prdida de carga sea

pequea.

Se fabrican en una gama de tamaos superior a la de cualquier otro tipo de medidor.

No son prcticamente afectados por variaciones en la densidad, viscosidad, presin,

temperatura y, dentro de ciertos lmites, conductividad elctrica.

No son seriamente afectados por perturbaciones del flujo aguas arriba del medidor.

La seal de salida es, habitualmente, lineal.

Pueden utilizarse para la medida del caudal en cualquiera de las dos direcciones.

Entre las principales desventajas estn:

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El lquido cuyo caudal se mide tiene que tener una razonable conductividad

elctrica. Para los fines industriales el lmite prctico es del orden de 10 / cm. Esto

significa que los lquidos acuosos pueden manejarse adecuadamente, lo que no ocurre con

los lquidos orgnicos.

La energa disipada por las bobinas da lugar al calentamiento local del tubo del

medidor.

Al igual que otras formas de medida, este instrumento requiere un tramo recto

inmediatamente antes del punto donde se realiza la medida para cierta exactitud en la

medida, aunque una longitud igual a cinco veces del dimetro puede ser suficiente.

3.8 Sensores de presencia o proximidad

3.8.1 Sensores de presencia inductivos


Fsicas: Estos sensores pueden ser de tipo de tubo roscado o de cuerpo rectangular,

de montaje blindado, no estn concebidos para la intemperie y sus dimensiones son

variadas. Estos sensores son aplicables para mediciones donde se desee detectar

desplazamiento sin que exista contacto o desgaste del dispositivo. Comercialmente, el

rango de temperatura ambiente admisible para su correcto funcionamiento se encuentra

desde -10C hasta 70C.

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Su rango de de medida depende del modelo de cada fabricante, comercialmente se

les encuentra en rangos de 2-4mm, 1-5mm, 3-8mm, 4-11mm.

Elctricas: Son aparatos alimentados por corriente continua, el rango puede variar

entre 15 y 30 VCC, su salida es analgica y es proporcional a la distancia, en un rango de

0-10VCC y/o de 0 a 20mA.

3.8.1.2Aplicaciones industriales comunes

Son ampliamente utilizados en la deteccin del mbolo en un cilindro neumtico o

hidrulico, adems se les encuentra ubicados en transportadores metlicos de piezas en una

cinta, en un rbol de levas, para la medicin de la velocidad y para detectar el sentido de

rotacin.

3.8.1.3

Ventajas y desventajas

Dentro de las principales ventajas estn:

Presentan una muy buena adaptacin a entornos industriales.

Detectan sin ninguna necesidad de contacto fsico con el objeto.

Son sensores para la deteccin exclusiva de objetos metlicos.

Consideracin de datos de corta duracin.

Desventajas de la utilizacin de sensores de proximidad inductivos:

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Solo se pueden utilizar para la deteccin de objetos metlicos, lo que imposibilita

totalmente utilizarlos para la deteccin en otro tipo de material no metlico.

Su alcance se puede considerar bastante dbil, su rango de deteccin alcanza

apenas los 40 mm. Esto limita mucho a la hora de instalar el dispositivo, ya que puede

haber lug

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