UNIDAD 2
INTERRUPTORES Y SENSORES
Introducción
Los sensores pueden estar conectados a un computador para obtener ventajas como
son el acceso a una base de datos, la toma de valores desde el sensor, etc.
2.1
Interruptores (presión, nivel, temperatura, flujo, límite).
Un interruptor es un
dispositivo para cambiar el curso de un circuito. El modelo prototípico es un
dispositivo mecánico (por ejemplo un interruptor de ferrocarril) que puede ser
desconectado de un curso y unido (conectado) al otro. El término "el
interruptor" se refiere típicamente a la electricidad o a circuitos
electrónicos. En usos donde requieren múltiples opciones de conmutación (p.ej.,
un teléfono), con el tiempo han sido remplazados por las variantes electrónicas
que pueden ser controladas y automatizadas.
Interruptores
de presión
Operan a través de su elemento sensible que es un pistón, un resorte, aislado
del proceso por un diafragma sellado con un anillo “O” estático. Esto asegura
una larga vida y superior operación bajo las condiciones de los procesos
industriales.
El contacto on-off de los interruptores tiene características que les permiten una gran exactitud en los puntos de disparo (menos del 1%). La gran solidez asegura la perfecta operación de nuestros instrumentos, aun en procesos donde exista vibración.
Los interruptores de presión cuentan con rangos de protección sobre presiones
hasta de 10 veces sobre su rango de operación.
Interruptor de nivel
Es un dispositivo que, instalado sobre un tanque u otro recipiente en que hay
almacenamiento de sólidos o líquidos, permite discriminar si la altura o nivel
que el material o elemento almacenado alcanza o excede un nivel predeterminado.
Al producirse dicha condición, este dispositivo cambia de estado y genera una
acción que evita que el nivel siga subiendo.
El ejemplo más sencillo de interruptor de nivel es el flotador
de un retrete, que interrumpe el flujo de agua al alcanzar el tanque un nivel
determinado.
Interruptores
de temperatura
Electrónicos.- Un elemento de activación es un sensor de temperatura
semiconductor, cuyas señales modificadas en función de la temperatura provocan
cambios en el estado de conmutación con ayuda de amplificadores o elementos electrónicos.
Mediante ajustes en el sistema electrónico se puede ajustar con exactitud la
intensidad de la señal requerida para el proceso de conmutación y, con ello, el
punto de conmutación; en principio, el punto de conmutación.
Interruptor
de flujo
Es un artefacto que controla el flujo de aire, vapor o líquido.
Envía una "señal de activación" a un artefacto diferente al sistema,
tal como una bomba. El interruptor de flujo puede indicar a la bomba que se
encienda o apague, puede detener un motor cuando no haya flujo presente, arrancar
un motor cuando exista un flujo presente, hacer sonar una alarma cuando el
flujo se detenga o detener una
alarma cuando el flujo es el correcto .Algunos de los usos generales son
protección de bombas, protección de circuitos de refrigeración y alarmas para
velocidades de flujo demasiado altas o demasiado bajas.
Interruptores
de Limite
Los interruptores de
límite detienen e inician el flujo de corriente dentro de un circuito para que
se alcance una posición específica, por ello se utilizan tanto en maquinarias
pesadas así como en dispositivos no industriales como los abridores de puertas
de estacionamientos. Estos interruptores vienen de distintos tipos dependiendo
de la maquinaria en la que se van a colocar y el propósito para el que estén
hechos. Algunos interruptores son herméticos y otros pueden soportar altas
temperaturas.
Estos tipos de interruptores, además de ser utilizados en todo tipo de equipo industrial, se prestan mucho para todo tipo de aplicación en proyectos y holística,
por su versatilidad y alto rateo en corriente y voltaje aun en dispositivos de muy reducido tamaño.
Estos tipos de interruptores, además de ser utilizados en todo tipo de equipo industrial, se prestan mucho para todo tipo de aplicación en proyectos y holística,
por su versatilidad y alto rateo en corriente y voltaje aun en dispositivos de muy reducido tamaño.
2.2
Principio de transducción.
Es
la transformación de un tipo de energía en señal eléctrica o viceversa por
medio de un transductor. Los principios de transducción son el fundamento
físico sobre el cual se asienta la conversión de una magnitud física a otra.
Existe una gran variedad de estos. Los transductores para detectar una variable
física pueden estar basados en principios diferentes.
Un transductor es un dispositivo que convierte una forma de
energía en otra.
Se tomarán los transductores que convierten eventos fisiológicos en señales eléctricas.
Se tomarán los transductores que convierten eventos fisiológicos en señales eléctricas.
Se trabajará con sensores capacitivos, resistivos, inductivos, piezoeléctricos, fotoeléctricos, electroquímicos, etc.
■ Propiedad transducible: Es una característica singular de un evento a la cual se le puede aplicar un principio de transducción.
■ Principio de transducción: Método empleado para convertir la propiedad transducible en una señal eléctrica.
Características de los transductores
■ Regla de Kelvin (instrumentación): El instrumento de medida no debe alterar el evento que se está midiendo.
■ Tres criterios de reproducción fiel: Linealidad de amplitud, respuesta en
frecuencia adecuada y mínima distorsión de fase.
2.3
Sensores de presión.
Los sensores de presión o transductores de presión son elementos
que transforman la magnitud física de presión o fuerza por unidad de superficie
en otra magnitud eléctrica que será la que emplearemos en los equipos de
automatización o adquisición estándar. Los rangos de medida son muy amplios,
desde unas milésimas de bar hasta los miles de bar.
En la industria hay un amplísimo rango de sensores de presión,
la mayoría orientados a medir la presión de un fluido sobre una membrana. En
robótica puede ser necesario realizar mediciones sobre fluidos hidráulicos (por
dar un ejemplo), aunque es más probable que los medidores de presión
disponibles resulten útiles como sensores de fuerza (el esfuerzo que realiza
una parte mecánica, como por ejemplo un brazo robótico), con la debida
adaptación.
Los dispositivos de la serie MPX2100 son piezorresistencias de silicio sensibles a la presión. Proporcionan una variación de tensión exacta y directamente proporcional a la presión que se les aplica. El sensor consta de un diafragma monolítico de silicio para medir el esfuerzo y una fina película con una red de resistencias integradas en un chip. El chip se ajusta, calibra y compensa en temperatura por láser.
En los sensores electrónicos en general, la presión actúa sobre una membrana elástica, midiéndose la flexión. Para detectarla pueden aprovecharse diversos principios físicos, tales como inductivos, capacitivos, piezorresistivos, ópticos, monolíticos (con módulos electrónicos extremadamente pequeños, totalmente unidos) u óhmicos (mediante cintas extensométricas).
En los sensores de presión con elemento por efecto Hall, un imán permanente pequeño (que está unido a una membrana) provoca un cambio del potencial Hall. El sensor de presión piezorresistivo tiene un elemento de medición en forma de placa con resistencias obtenidas por difusión o implantación de iones. Si estas placas se someten a una carga, cambia su resistencia eléctrica. Lo mismo se aplica en el caso de los sensores de presión monolíticos, obtenidos mediante la cauterización gradual de silicio.
Los dispositivos de la serie MPX2100 son piezorresistencias de silicio sensibles a la presión. Proporcionan una variación de tensión exacta y directamente proporcional a la presión que se les aplica. El sensor consta de un diafragma monolítico de silicio para medir el esfuerzo y una fina película con una red de resistencias integradas en un chip. El chip se ajusta, calibra y compensa en temperatura por láser.
En los sensores electrónicos en general, la presión actúa sobre una membrana elástica, midiéndose la flexión. Para detectarla pueden aprovecharse diversos principios físicos, tales como inductivos, capacitivos, piezorresistivos, ópticos, monolíticos (con módulos electrónicos extremadamente pequeños, totalmente unidos) u óhmicos (mediante cintas extensométricas).
En los sensores de presión con elemento por efecto Hall, un imán permanente pequeño (que está unido a una membrana) provoca un cambio del potencial Hall. El sensor de presión piezorresistivo tiene un elemento de medición en forma de placa con resistencias obtenidas por difusión o implantación de iones. Si estas placas se someten a una carga, cambia su resistencia eléctrica. Lo mismo se aplica en el caso de los sensores de presión monolíticos, obtenidos mediante la cauterización gradual de silicio.
Esquema del interior de algunos sensores de presión
a) Sensor Hall
1 Generador Hall
2 Imán permanente
3 Cuerpo del sensor
4 Membrana
b) Sensor de presión piezorresistivo
3 Cuerpo del sensor
5 Capa de unión
6 Contacto de aluminio
7 Pasivación
8 Piezorresistencia
9 Capa epitaxiada
10Sustrato de silicio
11 Soporte de vidrio
12 Capa de unión metálica
c) Sensor de presión capacitivo
10 Sustrato de silicio
11 Soporte de vidrio
13 Placa
d) Sensor de presión monolítico
10 Sustrato de silicio
14 Resistencias incorporadas mediante difusión
15 Carril de silicio
16 Vacío
17 Capa de soldadura.
2.4
Sensores de flujo.
Dispositivo que instalado en línea con tubería permite
determinar cuando está circulando un líquido o un gas.
Estos son del tipo apagado/encendido, determinan cuando está o no circulando un fluido pero no miden el caudal. Para medir el caudal se requiere un caudalímetro.
Estos son del tipo apagado/encendido, determinan cuando está o no circulando un fluido pero no miden el caudal. Para medir el caudal se requiere un caudalímetro.
Tipos
de sensor de flujo
○ De pistón
Es el más común de los sensores de flujo. Este tipo de sensor de flujo se recomienda cuando se requiere detectar caudales entre 0,5 LPM y 20 LPM.
Consiste en un pistón que cambia de posición empujado por el flujo circulante. El pistón puede regresar a su posición inicial por gravedad o por medio de un resorte.
El pistón contiene en su interior un imán permanente. Cuando el pistón se mueve el imán se acerca y activa un reed switch que cierra o abre (según sea la configuración) el circuito eléctrico.
El área entre el pistón y la pared del sensor determina su sensibilidad y por ende a que caudal se activará el sensor.
○ De paleta (compuerta)
Este modelo es recomendado para medir grandes caudales, de más de 20 LPM.
Su mecanismo consiste en una paleta que se ubica transversal al flujo que queremos detectar. El flujo empuja la paleta que está unida a un eje que atraviesa herméticamente la pared del sensor de flujo y apaga o enciende un interruptor en el exterior del sensor.
Para ajustar la sensibilidad del sensor se recorta el largo de la paleta.
○ De elevación (tapón)
Este modelo es de uso general. Es muy confiable y se puede ajustar para casi cualquier caudal. Su mecanismo consiste en un tapón que corta el flujo. Del centro del tapón surge un eje que atraviesa herméticamente la pared del sensor. Ese eje empuja un interruptor ubicado en el exterior del sensor.
Para ajustar la sensibilidad del sensor se perforan orificios en el tapón.
2.5
Sensores de temperatura.
Los sensores de temperatura
son dispositivos que transforman los cambios de temperatura en cambios en
señales eléctricas que son procesados por equipo eléctrico o electrónico.
Hay tres tipos de sensores de
temperatura, los termistores, los RTD y los termopares.
El sensor de temperatura,
típicamente suele estar formado por el elemento sensor, de cualquiera de los
tipos anteriores, la vaina que lo envuelve y que está rellena de un material
muy conductor de la temperatura, para que los cambios se transmitan rápidamente
al elemento sensor y del cable al que se conectarán el equipo electrónico.
·
Termistor
El
termistor está basado en que el comportamiento de la resistencia de los semiconductores
es variable en función de la temperatura.
Existen
los termistores tipo NTC y los termistores tipo PTC. En los primeros, al
aumentar la temperatura, disminuye la resistencia. En los PTC, al aumentar la
temperatura, aumenta la resistencia.
El
principal problema de los termistores es que no son lineales según la
temperatura por lo que es necesario aplicar fórmulas complejas para determinar
la temperatura según la corriente que circula y son complicados de calibrar.
·
RTD
(resistance temperature detector)
Un RTD es un sensor de temperatura basado
en la variación de la resistencia de un conductor con la temperatura.
Los metales empleados normalmente como RTD son platino, cobre, niquel y
molibdeno.
De entre los anteriores, los sensores de platino son los más comunes por tener mejor linealidad, más rapidez y mayor
margen de temperatura.
·
Termopar
El termopar, también llamado
termocupla y que recibe este nombre por estar formado por dos metales, es un
instrumento de medida cuyo principio de funcionamiento es el efecto termoeléctrico.
Un material termoeléctrico
permite transformar directamente el calor en electricidad, o bien generar frío
cuando se le aplica una corriente eléctrica.
El termopar genera una
tensión que está en función de la temperatura que se está aplicando al sensor.
Midiendo con un voltímetro la tensión generada, conoceremos la temperatura.
Los termopares tienen un
amplio rango de medida, son económicos y están muy extendidos en la industria.
El principal inconveniente estriba en su precisión, que es pequeña en
comparación con sensores de temperatura RTD o termistores.
2.6
Sensores de nivel.
Es un dispositivo electrónico que mide la altura del material,
generalmente líquido, dentro de un tanque u otro recipiente.
Integral para el control de procesos en muchas industrias, los sensores de medición de nivel se dividen en dos tipos principales. Los sensores de medición de punto de nivel se utilizan para marcar una altura de un líquido en un determinado nivel preestablecido. Generalmente, este tipo de sensor funciona como alarma, indicando un sobre llenado cuando el nivel determinado ha sido adquirido, o al contrario una alarma de nivel bajo. Los sensores de nivel continuos son más sofisticados y pueden realizar el seguimiento del nivel de todo un sistema. Estos miden el nivel del fluido dentro de un rango especificado, en lugar de en un único punto, produciendo una salida analógica que se correlaciona directamente con el nivel en el recipiente. Para crear un sistema de gestión de nivel, la señal de salida está vinculada a un bucle de control de proceso y a un indicador visual.
Integral para el control de procesos en muchas industrias, los sensores de medición de nivel se dividen en dos tipos principales. Los sensores de medición de punto de nivel se utilizan para marcar una altura de un líquido en un determinado nivel preestablecido. Generalmente, este tipo de sensor funciona como alarma, indicando un sobre llenado cuando el nivel determinado ha sido adquirido, o al contrario una alarma de nivel bajo. Los sensores de nivel continuos son más sofisticados y pueden realizar el seguimiento del nivel de todo un sistema. Estos miden el nivel del fluido dentro de un rango especificado, en lugar de en un único punto, produciendo una salida analógica que se correlaciona directamente con el nivel en el recipiente. Para crear un sistema de gestión de nivel, la señal de salida está vinculada a un bucle de control de proceso y a un indicador visual.
2.7Sensores
de peso, velocidad, conductividad, PH, etc.
Sensores de peso
Las celdas de carga o sensores de peso son aquellos dispositivos
electrónicos desarrollados con la finalidad es la de detectar los cambios
eléctricos provocados por una variante en la intensidad de un peso aplicado
sobre la báscula o balanza, información que a su vez transmite hacia un
indicador de peso o controlador de peso.
La celda de carga o sensor de peso es un componente esencial al
igual que el indicador de peso, para el funcionamiento de cualquier báscula o
balanza electrónica.
Se trata de un elemento totalmente plano integrado dentro de una
membrana de circuito impreso flexible de escaso espesor. Esta forma plana
permite colocar al sensor con facilidad entre dos piezas de la mecánica de
nuestro sistema y medir la fuerza que se aplica sin perturbar la dinámica de
las pruebas. Los sensores utilizan una tecnología basada en la variación de
resistencia eléctrica del área sensora. La aplicación de una fuerza al área
activa de detección del sensor se traduce en un cambio
en la resistencia eléctrica del elemento sensor en función inversamente proporcional
a la fuerza aplicada.
Sensor
de velocidad
El
sensor de velocidad está hecho con una bobina de alambre más un imán. Están
colocados de forma que al moverse el cárter, el imán permanece sin moverse. Se
crea un movimiento relativo en el campo magnético y la bobina provoca una
corriente que está en proporción a la velocidad del movimiento. Es auto
generador no necesita de aditamentos electrónicos para funcionar. Posee una
impedancia de salida eléctrica baja, que lo hace casi insensible a la inducción
del ruido.
Otros
sensores están hechos de una bobina móvil colocada fuera de un imán
estacionario. El Velómetro, es de todos ellos el mejor en todos los aspectos.
Se hacen con un acelerómetro y lleva un integrador electrónico incluido.
Algunos sensores de velocidad están hechos con una bobina móvil fuera de un imán estacionario. El principio de operación es el mismo. Un otro tipo de transductor de velocidad consiste en un acelerómetro con un integrador electrónico incluido. Esta unidad se llama un Velómetro y es en todos los aspectos superiores al sensor de velocidad sísmico clásico.
El sensor de velocidad fue uno de los primeros transductores de vibración, que fueron construidos. Consiste de una bobina de alambre y de un imán colocado de tal manera que si se mueve el carter, el imán tiende a permanecer inmóvil debido a su inercia. El movimiento relativo entre el campo magnético y la bobina induce una corriente proporcional a la velocidad del movimiento. De esta manera, la unidad produce una señal directamente proporcional a la velocidad de la vibración. Es autogenerador y no necesita de aditamentos electrónicos acondicionadores para funcionar. Tiene una impedancia de salida eléctrica relativamente baja que lo hace relativamente insensible a la inducción del ruido.
Aun tomando en cuenta estas ventajas, el transductor de velocidad tiene muchas desventajas, que lo vuelven casi obsoleto para instalaciones nuevas, aunque hoy en día todavía se usan varios miles. Es relativamente pesado y complejo y por eso es caro, y su respuesta de frecuencia que va de 10 Hz a 1000 Hz es baja. El resorte y el imán forman un sistema resonante de baja frecuencia, con una frecuencia natural de 10 Hz. La resonancia tiene que ser altamente amortiguada, para evitar un pico importante en la respuesta a esta frecuencia. El problema es que la amortiguación en cualquier diseño práctico es sensible a la temperatura, y eso provoca que la respuesta de frecuencia y la respuesta de fase dependan de la temperatura.
Sensores de Conductividad
La opción para líquidos muy densos o semi-sólidos
Los interruptores de conductividad ofrecen las mismas funciones que nuestros interruptores de boya pero con la ventaja de no tener piezas móviles. Al no tener piezas móviles, estos interruptores se pueden usar en muchos entornos en los que un interruptor de boya se engancharía o no funcionaría en absoluto.
El funcionamiento de estos interruptores no se verá interrumpido
ni siquiera en líquidos conductores semi-sólidos como los del sector
alimentario o los lodos industriales, ni en líquidos muy densos como las aguas
residuales. Suministra un controlador básico con el M3784 que satisfará una
amplia gama de aplicaciones. Dado que la conductividad varía considerablemente
de un líquido a otro, la sensibilidad del controlador es ajustable para
distintos líquidos. La unidad sólo necesita una cantidad de corriente extremadamente
pequeña para funcionar. Como con cualquier otro dispositivo, un sistema
adecuadamente instalado y conectado atierra no supone ningún riesgo eléctrico.
Sensores de PH
El pH-metro es
un sensor utilizado en el método electroquímico para medir el pH de una disolución.
La determinación
de pH consiste en medir el potencial que se desarrolla a través de una fina membrana de vidrio que separa dos soluciones con diferente
concentración de protones. En consecuencia se conoce muy bien la
sensibilidad y la selectividad de las membranas de vidrio delante el pH.
Una celda para
la medida de pH consiste en un par de electrodos, uno de calomel ( mercurio, cloruro de
mercurio) y otro de vidrio, sumergidos en la disolución de la que queremos
medir el pH.
La varita de
soporte del electrodo es de vidrio común y no es conductor, mientras que el
bulbo sensible, que es el extremo sensible del electrodo, está formado por un vidrio polarizable (vidrio
sensible de pH).
Se llena el
bulbo con la solución de ácido clorhídrico 0.1M saturado con cloruro de plata. El voltaje en el interior del bulbo es constante,
porque se mantiene su pH constante (pH 7) de manera que la diferencia de potencial solo depende
del pH del medio externo.
El alambre que
se sumerge al interior (normalmente Ag/AgCl) permite
conducir este potencial hasta un amplificador.
2.8
Criterios para la selección de un sensor.
Seleccionar un sensor puede ser muy sencillo y algunas veces
difíciles, pero, siempre el objetivo es de hacerlo bien. Esto es porque por que
los sensores, especialmente para uso científico o para ingeniería, pude
significar la diferencia entre mediciones repetibles o números disparados. El
objetivo es medir con exactitud y con incertidumbre aceptables.
Al elegir un sensor debemos de tomar en cuenta los siguientes criterios:
*Alcance de medición
*Exactitud del producto
*Condiciones bajo la cual la medición debe ser realizada.
*Ventajas y desventajas del sensor.
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