SENSORES Clasificaciones de sensores Sensores lineales y rotativos

SENSORES

Clasificaciones de sensores: • • • Sensores lineales y rotativos. Sensores de aceleración. Sensores de fuerza. Sensores de torque y potencia. Sensores de flujo. Sensores de temperatura. Sensores de distancia y proximidad. Sensores de luz, imágenes y sistemas de visión. Sensores micro integrados.

SENSORES LINEALES Y ROTATIVOS CONTACTO El tipo más simple de sensor de desplazamiento es un interruptor mecánico que devuelve un bit de información: tocar o no tocar. Una aplicación muy popular de los microinterruptores en la robótica es como una final de carrera, lo que indica que un conjunto ha alcanzado el límite de su recorrido permitido. Interruptor Señal de rebote en un interruptor de cierre

SENSORES LINEALES Y ROTATIVOS INFRARROJO símbolos de elementos optoelectrónicos y una configuración típica emisor/detector Foto detectores infrarrojos pueden ser sensibles a la luz ambiente, sin embargo. Para distinguir la luz foto emisor de la luz de fondo, la fuente puede ser modulada (es decir, conectar y desconectar a una frecuencia alta), y el circuito detector está diseñado parar responder sólo a la modulación de infrarrojos.

SENSORES LINEALES Y ROTATIVOS INFRARROJO The Fairchild semiconductor QVA 11234 photo interrupter. The Fairchild semiconductor QRB 1114 photo reflective sensor A position sensitive detector (PSD), UDT Sensors, Inc. Las unidades Photoreflector están disponibles también con más detectores sensibles de posición avanzada (PSD), que informe la ubicación de la luz infrarroja incidente en la superficie de detección. La ubicación fija del LED en relación con el PSD, así como la ubicación de la imagen de la luz infrarroja en el PSD, permite el uso de la triangulación para determinar la distancia al objetivo. Tales sensores de medición de distancia se fabrican por Sharp y Hamamatsu.

SENSORES LINEALES Y ROTATIVOS ULTRASONICO Sensores ultrasónicos utilizan el tiempo de vuelo de un pulso de sonido ultrasónico a través del aire o líquido para medir la distancia. Los sensores están disponibles con rangos desde unos pocos centímetros a 10 m. Una gran ventaja de los sensores US es que todos los componentes electrónicos y el transductor de la sonda está en un lugar fuera de peligro. Algunos incluyen compensación por la variación en la temperatura del aire, que afecta a la velocidad del sonido. Los sensores ultrasónicos normalmente tienen una salida analógica proporcional a la distancia al objetivo. Precisión de un 1% se puede esperar en un entorno bien Controlado.

SENSORES LINEALES Y ROTATIVOS RESOLVER Las ventajas de estos son su robustez mecánica durante el funcionamiento y su inmunidad a la contaminación, humedad, altas temperaturas y vibraciones, imponen poca carga mecánica al funcionamiento del eje. Los Resolvers están disponibles en una variedad de voltajes. Los tres más estándares son: (a) Señales de 11. 8 V rms entre líneas, referencia 11. 8 V rms, varias frecuencias entre de 400 Hz a 10, 000 Hz. (b) Señales de 26 V rms entre líneas, referencia 26 V rms, varias frecuencias entre de 400 Hz a 10, 000 Hz. (c) Señales de 11. 8 V rms entre líneas, referencia 26 V rms, varias frecuencias entre de 400 Hz a 10, 000 Hz [1].

SENSORES LINEALES Y ROTATIVOS RESOLVER Convertidores de Resolver a digital Analog Devices fabrica una familia de convertidores de Resolver a Digital con el AD 2 S 80, AD 2 S 82, AD 2 S 83 y uno oscilador de referencia para los Resolvers AD 2 S 99. A continuación se muestra un diagrama de un sistema de servo posición utilizando un Resolver y un convertidor de resolver a digital[1].

SENSORES LINEALES Y ROTATIVOS INDUCTOSYN Hace parte de la familia de los transformadores variables, pero a diferencia de los anteriores, admite relaciones no sólo angulares sino también lineales. Rotor y estator de un Inductosyn Rotatorio[1]. Rotor y estator de un Inductosyn Lineal[2].

SENSORES LINEALES Y ROTATIVOS INDUCTOSYN Especificaciones Los modelos lineales ordinarios el paso P es de 2 mm , la longitud total desde 250 mm hasta 36 m y la separación entre estator y rotor 0. 178 mm. Los circulares tienen entre 18 y 1024 ciclos. El error de linealidad normal es de 2. 5 µm para unos modelos y de ± 1“ a ± 4“ para los otros. La tensión de salida es menor de 100 m. V y su frecuencia igual a la de la Portadora , que puede ser desde 200 Hz hasta 200 k. Hz. Aplicaciones Control de posición de los discos de memoria en ordenadores donde interesa una repetibilidad de ± 5 µm, en el manipulador remoto del transbordador espacial [2].

SENSORES LINEALES Y ROTATIVOS LVDT • Es usado ampliamente debido a su gran resolución, alta linealidad y rápida respuesta. • No hay desgaste mecánico. • no permite medir grandes desplazamientos y la excitación del sensor introduce ruido en el resto del laboratorio. • Es un sensor de no contacto y de lectura absoluta. Aunque los LVDT son robustos y exactos, solo producen salidas de bajo voltaje (la sensibilidad está entre 6. 3 y 0. 08 m. V por voltio de excitación por milímetro de desplazamiento) y por lo tanto necesitan mucho cuidado al realizar la amplificación.

SENSORES LINEALES Y ROTATIVOS LVDT Aplicación Proporciona un método para convertir la salida de un movimiento lineal de un fuelle en una señal eléctrica. Fuelle de presión diferencial convirtiendo presión en una señal eléctrica con un LVDT

SENSORES LINEALES Y ROTATIVOS EFECTO HALL Analog Devices ha integrado en un solo dispositivo el sensor y la circuitería de acondicionamiento para minimizar las derivas debidas a la temperatura asociadas a las características de la célula de silicio, con la familia AD 22 xxx.

SENSORES LINEALES Y ROTATIVOS EFECTO HALL Aplicación Los sensores de efecto Hall se utilizan en los automóviles para medir velocidades de rotación o detectar la posición de un determinado elemento. Su principal ventaja es que pueden ofrecer datos fiables a cualquier velocidad de rotación. Y sus inconvenientes son la mayor complejidad y precio con respecto a un sensor inductivo.

SENSORES LINEALES Y ROTATIVOS MAGNETO-RESISTIVO se caracterizan por su gran resistencia a las vibraciones y prolongada durabilidad, así como por su forma constructiva reducida. La ventaja principal consiste en que los intervalos de accionamiento de los sensores de proximidad son mayores. Funcionamiento En el caso de este detector de proximidad magnético sin contacto, la detección del campo magnético está a cargo de resistencias que funcionan según un campo magnético. La conexión de puente genera una tensión cuando se acerca un imán. El cambio de tensión se evalúa en un nivel de activación, y se convierte en una señal electrónica de conmutación

SENSORES LINEALES Y ROTATIVOS MAGNETO-RESISTIVO

SENSORES LINEALES Y ROTATIVOS INDUCTIVOS Este tipo de sensores se basan en el cambio de inductancia que provoca un objeto metálico en un campo magnético. Aplicación sensores inductivos que detectan el paso de vagones por la banda transportadora. Estos vagones transportan a los pallets, los que a su vez alojan a los productos. Cada vez que un vagón pasa por estos sensores, el sensor de proximidad se activa y manda una señal al PLC indicándole que un vagón se está aproximando a una siguiente estación de trabajo Sensor inductivo de para banda transportadora

SENSORES LINEALES Y ROTATIVOS CAPACITIVO Funcionamiento Un sensor de posición capacitivo evalúa el cambio de la capacidad de un condensador en un circuito de resonancia RC. Si se acerca una pieza al sensor de posición, aumenta la capacidad del condensador. De esta manera se produce un cambio cuantificable del comportamiento de la resonancia en el circuito RC. El cambio de la capacidad depende fundamentalmente de la distancia, de las dimensiones y de la constante dieléctrica de la pieza.

SENSORES LINEALES Y ROTATIVOS CAPACITIVO

SENSORES LINEALES Y ROTATIVOS INTERFERÓMETRO Sensor de desplazamiento láser autónomo: MX 1 C Aplicaciones:

SENSORES LINEALES Y ROTATIVOS Sensor de desplazamiento láser autónomo: MX 1 C

SENSORES LINEALES Y ROTATIVOS Sensor de desplazamiento láser autónomo: MX 1 C

SENSORES LINEALES Y ROTATIVOS ENCODERS CARACTERISTICAS • Basados en tecnología óptica. • Suministran información digital. ENCODER ABSOLUTO • La alta resolución resulta cara • La resolución está dada por: (πD)/(2 X) D: Diámetro del disco. X=Ancho de cada sector codificado.

SENSORES LINEALES Y ROTATIVOS ENCODER RELATIVO Desventajas: • Pérdida de información sobre la posición cuando falla la alimentación del sistema • Pérdida de información en presencia de interferencias • Requerimiento de electrónica especial, como contadores bidireccionales, para acondicionarlos a los elementos de análisis.

SENSORES LINEALES Y ROTATIVOS POTENCIOMETROS • Lineales • Angulares - Mono-vuelta - Multi-vuelta Ventajas: Facilidad de uso y bajo precio. Desventajas: Deben estar fijados al dispositivo cuyo desplazamiento se quiere medir, precisión limitada.

SENSORES LINEALES Y ROTATIVOS SERVOMOTORES Control directo de posición mediante el ancho de pulso enviado. El potenciómetro determina el ángulo girado por el eje. Modificado para girar de forma continua

SENSORES LINEALES Y ROTATIVOS COMPARACION ENTRE SENSORES DE POSICION ANGULAR

SENSORES LINEALES Y ROTATIVOS TABLA COMPARATIVA

SENSORES LINEALES Y ROTATIVOS Normalmente , los tipos de sensores de alta resolución, tales como el efecto hall, inductancia por fibra óptica, capacitancia, galgas de tensión son adecuados solamente para un rango muy pequeño( tipicamente desde 0. 1 mm hasta 5 mm). Los LVDT por otro lado , tiene un rango mucho mas grandes con buena resolucion. Lso sensores interferometricos proporcionan una alta resolucion( in terminos de micrones) y alto rango de medidas( por arriba de los metros). Sin embargos los sensores interferometricos son voluminosos, caros y requieren de mucha instalación.

SENSORES DE ACELERACIÓN La aceleración es un parámetro importante de propósito general para medir el movimiento absoluta, la vibración y detección de choque. Para estas mediciones, los acelerómetros se comercializan en una amplia gama y de diferentes tipos para satisfacer las necesidades de diversas aplicaciones, principalmente en tres áreas: (1) Las aplicaciones comerciales: automóviles, barcos, electrodomésticos, deportes y otros pasatiempos, (2) Aplicaciones industriales: robótica, control de máquinas, pruebas de vibración y instrumentación. (3) aplicaciones de alta fiabilidad: militares, aeroespacial, monitoreo sísmica, inclinación, vibración y medidas de choque. SENSORES ELECTROMECANICOS Las ventajas de este enfoque son una mejor linealidad y la eliminación de los efectos de histéresis, en comparación con los resortes mecánicos. Además, en algunos casos, la amortiguación eléctrica se puede proporcionar, que es mucho menos sensible a las variaciones de temperatura.

SENSORES DE ACELERACIÓN PIEZOELECTRICO Acelerómetros piezoeléctricos son ampliamente utilizados en pruebas de choque y vibración. Están disponibles con frecuencias naturales muy altas y por lo tanto adecuado para aplicaciones de alta frecuencia y medidas de choque. acelerómetros piezoeléctricos tienen impedancias mecánicas comparativamente baja, su efecto sobre el movimiento de la mayoría de las estructuras es insignificante. acelerómetro piezoeléctrico

SENSORES DE ACELERACIÓN PIEZOELECTRICO Acelerómetros piezoeléctricos están disponibles en una amplia gama de especificaciones y son ofrecidos por un gran número de fabricantes. Por ejemplo, las especificaciones de un acelerómetro de choque puede tener 0. 004 p. C / g en la sensibilidad y una frecuencia natural de hasta 250. 000 Hz, mientras que una unidad diseñada para mediciones sísmicas de bajo nivel podría tener 1000 p. C / g en la sensibilidad y sólo 7. 000 Hz naturales de frecuencia. Se fabrican tan pequeñas como 3 x 3 mm de dimensión con unos 0, 5 g en la masa, incluyendo los cables. Tienen rangos de temperatura excelente y algunos de ellos están diseñados para sobrevivir el ambiente de radiación intensiva de los reactores nucleares. Sin embargo, los acelerómetros piezoeléctricos tienden a tener mayor sensibilidad del eje transversal que otros tipos, alrededor de 2 -4%.

SENSORES DE ACELERACIÓN PIEZORESISTIVOS Se destacan por su tamaño reducido, peso mínimo y alta sensibilidad. La gama de acelerómetros, con elemento sensible de substrato de silicio, pueden tener una ganancia de hasta 100 m. V/g, con peso menor a 0, 5 g y un ancho de banda entre 0. . 150 Hz y 0. . 10 k. Hz. Características: Rangos: entre 0. . ± 2 g hasta 0. . ± 5000 g Precisión: < 1% F. E. Aplicaciones: Biodinámica, crash test y ensayos en automóvil, ensayos en vuelo, medidas en bogie en sector del ferrocarril, test en túneles de viento, etc.

SENSORES DE ACELERACIÓN ACELERÓMETROS PIEZORESISTIVOS Acelerómetro piezoresistivo por flexión Acelerómetro piezoresistivo MEMS

SENSORES DE ACELERACIÓN ACELERÓMETROS CAPACITIVOS son de "bajo coste", con o sin electrónica incorporada. Con su sobrerrango de 10. 000 g, alimentación DC y señal de salida fácilmente aprovechable, son idóneos para un sinfín de aplicaciones industriales, en las cuales el coste del sensor es un factor importante. Como opción existe la salida PWM, pensada para fabricantes OEM que quieren integrar un acelerómetro en su producto. Características: Rangos: entre 0. . ± 3 g hasta 0. . ± 100 g. Precisión: hasta 0, 001 g. Ancho de banda: 0. . 160 Hz hasta 10. . 1. 500 Hz. Aplicaciones: Sistemas de alarma y seguridad, ensayos en vehículos, mediciones sísmicas, medida de inclinación, robótica, etc.

SENSORES DE ACELERACIÓN ACELERÓMETROS CAPACITIVOS Funcionamiento general La aceleración provoca un movimiento en el sensor. El movimiento provoca un cambio en la capacidad de dos condensadores. El circuito hace que cambie la tensión de salida.

SENSORES DE ACELERACIÓN SISMICOS Estos acelerómetros tienen una baja frecuencia de funcionamiento (menos de 100 Hz) y están principalmente destinados a la variación lenta de aceleración , y vibraciones de baja frecuencia. Una familia típica de estos ofrece muchos modelos diferentes, que cubren el rango de ± 1 g a ± 50 g a gran escala. Los rangos de frecuencia natural 12 -89 Hz, y el coeficiente de amortiguamiento ζ se puede mantener entre 0, 5 y 0, 8 mediante una compensación de temperatura. La resistencia del potenciómetro se puede seleccionar en el rango de 1000 -10, 000 W, con una resolución correspondiente de 0. 45 a 0. 25% de escala completa. La sensibilidad del eje transversal es menor que ± 1%. La precisión global es de ± 1% de escala. El tamaño es alrededor de 50 mm^3, con una masa total de cerca de 1 / 2 kg.

SENSORES DE ACELERACIÓN LVDT Transformadores diferenciales lineales variables (LVDT) ofrecen un medio más conveniente de medición del desplazamiento relativo entre la masa sísmica y el acelerómetro. Estos dispositivos tienen una mayor frecuencia natural que los dispositivos potenciómetro, hasta 300 Hz. Dado que el LVDT tiene menor resistencia al movimiento, ofrece una resolución mucho mejor. La escala completa de ± 2 g de ± 700 g, la frecuencia natural de 35 a 620 Hz, la no linealidad del 1% escala completa. La salida a escala completa es de 1 V con un LVDT de excitación de 10 V a 2000 Hz, los rangos de coeficiente de amortiguamiento 0, 6 a 0, 7, la tensión residual en la posición nula es inferior al 1%, y la histéresis es inferior al 1% de la escala completa. El tamaño es alrededor de 50 mm 3, con una masa de unos 120 g.

SENSORES DE ACELERACIÓN MICRO Y NANO ACELERÓMETROS La frecuencia de resonancia del sistema debe ser mucho más alto que cualquier aceleración de entrada, lo que limita el rango medición. En un acelerómetro micro mecánico, que se utiliza en aplicaciones militares, las características principales son las siguientes: un de ± 1200 g, rango una sensibilidad de 1, 11 Hz / g, un ancho de banda de 2500 Hz, una descarga de frecuencia de 9952 Hz DETF. La frecuencia a 1200 g es 11221 Hz, la frecuencia en-1200 g es 8. 544 Hz, y la sensibilidad de la temperatura es de 5 mg / ° C. El tamaño del acelerómetro es de 6 mm de diámetro por 4, 3 mm de longitud, con una masa de alrededor de 9 g. Tiene un tiempo de encendido de menos de 60 s, el acelerómetro se alimenta con 9 a 16 V DC, y la potencia nominales una onda cuadrada de 9000 Hz.

SENSORES DE FUERZA GALGAS Galga El uso de galgas de tensión para medición de fuerza requiere una cuidadosa consideración con respecto a la rigidez y el medio ambiente. Las galgas de tensión de corta longitud generalmente responden a frecuencias mayores (por ejemplo: 660 k. Hz para un calibre de 0, 2 mm y 20 k. Hz para un calibre de 60 mm de longitud). Las consideraciones ambientales se centran principalmente en la temperatura de la galga. Es bien sabido que la resistencia es función de la temperatura y, por tanto, las galgas de tensión , son susceptibles a las variaciones de temperatura.

SENSORES DE FUERZA TÁCTIL Avances significativos en la sensibilidad táctil se están produciendo en el área de la robótica. Los usos incluye la inspección automatizada de los perfiles de la superficie, manejo de materiales o traslado de una parte, el montaje de las piezas, y la identificación de las partes. Naturalmente, el objetivo principal de diseño de dispositivos de detección táctil ha sido para imitar la capacidad de los dedos humanos. Las especificaciones típicas de un sensor táctil industrial incluyen: Resolución espacial de unos 2 mm. Resolución de fuerza (sensibilidad) de alrededor de 2 g. Máxima fuerza de contacto de cerca de 1 kg. Bajo tiempo de respuesta de 5 ms. Baja histéresis. Durabilidad en condiciones de trabajo extremadamente difícil. Insensibilidad a la modificación de condiciones ambientales (temperatura, polvo, humedad, vibraciones, etc. ). Capacidad para controlar deslizamiento. las

SENSORES DE FUERZA TÁCTIL Aplicación Arreglo de sensores táctiles que consiste en un patrón regular de elementos de para medir la distribución de presión a través de la yema del dedo de un robot.

SENSORES DE FUERZA PIEZOELECTRICO Un material piezoeléctrico presenta un fenómeno conocido como efecto piezoeléctrico. Este efecto se produce cuando los cristales asimétricos elásticos son deformados por una fuerza, un potencial eléctrico se desarrollará en la red cristalina distorsionada. Este efecto es reversible. Es decir, si se aplica un potencial entre las superficies del cristal, que va a cambiar sus dimensiones físicas. Elementos que exhiben cualidades piezoeléctricas se conocen a veces como elementos electroestrictivos . Los materiales piezoeléctricos utilizados son el cuarzo, la turmalina, la sal Rochelle, di hidrógeno fosfato de amonio (ADP), sulfato de litio, titanato de bario y zirconato titanato de plomo (PZT). El rango de fuerzas que se pueden medir utilizando sensores piezoeléctricos son de 1 a 200 k. N y en una proporción de 2 × 105. Los diferentes modos de funcionamiento de un dispositivo piezoeléctrico

SENSORES DE FUERZA POLÍMEROS CONDUCTORES Utiliza el hecho de que el polímero de ciertos dispositivos de película gruesa muestra la disminución la resistencia con el aumento de una fuerza aplicada. Resistencia en función de la fuerza Estos no deben utilizarse para las medidas exactas de fuerza , debido a que partes del sensor puede presentar un 15 -25% de variación en la resistencia entre ellos. Sin embargo, presentan poca histéresis y se consideran mucho menos costoso que otros dispositivos de detección. En comparación con piezopeliculas, Estos son mucho menos sensible a las vibraciones y el calor.

SENSORES DE FUERZA MAGNETO RESISTENTE Los sensores magnetoresistentes operan bajo el efecto Joule, es decir, un material ferromagnético es dimensionalmente alterado cuando se somete a un campo magnético. Estos sensores tiene alta respuesta en frecuencia( (del orden de 20 k. Hz). Algunos de los materiales que presentan propiedades magneto elásticas son de metal Monel, Permalloy, Cekas, Alfer, y una serie de aleaciones de níquel-hierro. Las desventajas de estos transductores incluyen: (1) el hecho de que el estrés excesivo y el envejecimiento puede causar cambios permanentes, (2) deriva del cero y los cambios de sensibilidad debido a la sensibilidad de la temperatura, y (3) errores de histéresis.

SENSORES DE POTENCIA Y TORQUE Los sensores de potencia y torque se utilizan en las pruebas de diseños avanzados de nuevas máquinas y valorar el rendimiento de las máquinas y sus componentes. Trabajo, Energía y Potencia Si durante el tiempo de aplicación de un torque, T, el cuerpo gira a través de un angulo θ, el trabajo mecánico se realiza. W = T θ La velocidad a la que se realiza el trabajo se denomina la potencia, P. Si un par T actúa sobre un pequeño intervalo de tiempo, durante el cual hay un desplazamiento angular, un trabajo igual a TΔθ se realiza en la tasa de TΔθ/Dt. Sustitución de Δθ/Dt por ω, el poder se encuentra simplemente como P = TW La unidad de potencia se deriva de su definición y se le da el nombre especial de vatios(W). 1 W = 1 J s-1 = 1 m. N s-1. Históricamente, la potencia también ha sido medida en caballos de fuerza (Hp), donde 1 Hp = 746 W.

SENSORES DE POTENCIA Y TORQUE Esquemático de dispositivos usados para la medida de torque y potencia.

SENSORES DE POTENCIA Y TORQUE Aparato para la medición de energía Existe maquinaria especifica sin limite y puede operar en niveles de potencia desde fracciones de watt hasta una decenas de megawatts, un rango de expansión de 10^8. Aparatos para la medida de potencia existe en una gama igualmente amplia de tipos y tamaños.

Sensores de flujo El medidor de flujo de placa de orificios, sigue siendo uno de los medidores de flujo más utilizados en la industria de procesos, sólo tiene una precisión típica de ± 2% de la lectura y fue utilizado comercialmente por primera vez en finales de 1800 s. Hay una serie de principios importantes relacionados con las características del flujo en una tubería, que debe ser entendido antes de seleccionar y utilizar un medidor de flujo confianza. Estos son los efectos del número de Reynolds, y la importancia del perfil de velocidad del flujo. Perfil de velocidad de flujo laminar y turbulento

Sensores de flujo MEDIDOR DE FLUJO DE PRESIÓN DIFERENCIAL La placa de orificio es el tipo más simple y más barato de medidor de flujo de presión diferencial. Se trata simplemente de una placa con un agujero del tamaño especificado. una de las principales razones del uso del medidor de caudal de placa de orificio es que la incertidumbre de medición (típicamente ± 2% de la lectura) se puede predecir sin necesidad de calibración, mientras que se ha fabricado e instalado de acuerdo con una de estas normas internacionales. Las principales desventajas de la placa de orificio es su rango limitado y sensibilidad para cambios en el perfil de la velocidad del flujo.

Sensores de flujo Flujómetro de área variable Los flujómetros de área variable también se basan en el uso de una obstrucción en el flujo bajo el principio de presión diferencial, salvo en este caso la diferencia de presión es constante y varía según la zona de la obstrucción. Probablemente el medidor de flujo de área variable mas conocido es el rotámetro. Rotámetros son extremadamente simples y confiables, y tienen una salida que cambia linealmente con el flujo (a diferencia de medidores de flujo de presión diferencial) y un rango típico de 10: 1 (en comparación con 3: 1 para medidores de flujo de presión diferencial). La exactitud es típicamente ± 2% en todo su rango , pero dependerá de la gama y el coste del dispositivo.

Sensores de flujo Flujómetro de desplazamiento positivo Las ventajas de los medidores de flujo de desplazamiento positivo es que son capaces de medir con de alta exactitud (típicamente ± 0. 5% de la lectura para los líquidos y de ± 1% de la lectura de los gases) sobre una amplia gamma de flujómetros. Pueden ser utilizados para medir liquidos con una amplia viscosidad y densidad. Además, a diferencia de otros medidores de flujo, estos son insensibles a los cambios en el perfil de velocidad de flujo y por lo tanto no requieren grandes longitudes de tubería recta antes y después del medidor de caudal Son dispositivos mecánicos relativamente complejo, con partes móviles que presentan desgaste con el tiempo. Su exactitud de medición depende tanto de la calidad inicial de fabricación y un mantenimiento regular. Los fluidos medidos deben estar libres de partículas sólidas para reducir desgastes . Medidores de flujo de desplazamiento positivo también pueden ser pesados y costosos para tuberías grandes y algunos diseños pueden resultar en una completa obstrucción de la tubería si el medidor de caudal se atora.

Sensores de flujo Flujómetro de turbina A pesar de que el medidor de caudal de turbina es un dispositivo mecánico que puede parecer anticuado en comparación con muchas otras tecnologías disponibles , sigue siendo uno de los medidores de caudal más precisos y excelente repetibilidad disponibles en la actualidad. Mediciones exactas mejores a un ± 0, 1% de la lectura para los líquidos, y mejor que ± 0, 25% de la lectura para los gases. Estos medidores tienen una salida lineal en algunas aplicaciones. y un radio mínimo de 10: 1, con 100: 1 posible Otros tipos de medidores de flujo que utiliza el principio de la turbina incluye la rueda Pelton y el medidor de la hélice, a pesar de que tienen peor exactitud de la medida que los diseños axiales.

Sensores de flujo Flujómetro Vortex La frecuencia de los vórtices generados se detecta mediante sensores integrados en los laterales de la barra. los tipos de sensores más comunes utilizado para este propósito son: presión, capacitancia, temperatura , ultrasónicos. El medidor de flujo de vórtice es capaz de medir con precisión de líquido o gas (el típicamente ± 1% de lectura) en un rango de caudal mínimo de 30: 1.

Sensores de flujo Flujómetro electromagnético En la mayoría de las aplicaciones la pared del tubo está hecha de un material conductor, como acero inoxidable, un revestimiento interior no conductor está obligado a aislar a los electrodos y evitar que la señal de la tensión generada se disipa en la pared del tubo. la exactitud de medición es típicamente ± 0. 5% de la lectura en un intervalo de al menos 10: 1. La principal limitación del flujómetro electromagnético es que sólo se puede utilizar con fluidos con una conductividad por lo general, mayor de 5 m. S / cm, aunque los diseños especiales están disponibles para su uso con líquidos conductividades de hasta sólo 0. 1 m. S / cm.

Sensores de flujo Flujómetro Ultrasónico la mayoría de los flujómetros ultrasónicos comercialmente disponibles hoy en día se pueden reconocer en dos categorías Doppler y tiempo de tránsito. Para los líquidos la frecuencia de transmisión del ultrasonido puede estar en el rango de 500 k. Hz hasta un megahercios. A 500 k. Hz discontinuidades debe tener un diámetro de aproximadamente 50 µm para reflejar el ultrasonido al receptor. la exactitud de los medidores de flujo Doppler es pobre, por lo general ± 5% de escala completa. La medida en una sola línea con flujómetro ultrasónico de tiempo de tránsito tienen una precisión típica de ± 2% de la lectura en un intervalo de al menos 100: 1. Flujómetro ultrasónico de tiempo de transito.

Sensores de flujo Flujómetro Coriolis el flujómetro de Coriolis es un instrumento de alta precisión, que puede ser utilizado para medir gas o líquido con una precisión de ± 0, 25% típicamente de la lectura. Rango de medición varía con el diseño, pero 100: 1 es posible para los diseños de tubo en U y 50: 1 para los diseños de tubo recto.

Sensores de temperatura

Sensores de temperatura Propiedades termométricas de los termómetros Termómetro Propiedad termométrica Columna de mercurio, alcohol, etc. , en un capilar de vidrio Longitud Gas a volumen constante Presión Gas a presión constante Volumen Termómetro de resistencia Resistencia eléctrica de un metal Termistor Resistencia eléctrica de un semiconductor Par termoeléctrico F. e. m. termoeléctrica Pirómetro de radiación total Ley de Stefan – Boltzmann Pirómetro de radiación visible Ley de Wien Espectrógrafo térmico Efecto Doppler Termómetro magnético Susceptibilidad magnética Cristal de cuarzo Frecuencia de vibración

Sensores de temperatura Termómetros Bimetálicos -Estos termómetros operan basados en el principio de expansión o contracción de los metales sujetos a cambios de temperatura. -El mas utilizado en nuestra industria es en el diseño en helicoidal. Se construyen de dos metales que poseen distintos coeficientes de dilatación térmica. Donde uno es de coeficiente de expansión mas bajo (por ejemplo, Invar) y el otro de uno mas alto (por ejemplo, bronce, latón, etc. ). Encuentran de rangos de -100°F(-73. 3°C) a 1, 000°F (538°C).

Sensores de temperatura Termómetros de Vidrio -Trabajan basado en el principio de expansión o compresión de los líquidos por aumento disminución de temperatura. -Se fabrican utilizando mercurio o alcohol como líquido sensible dentro de un recipiente cilíndrico de vidrio “capilar” con sus respectivas escalas. Se fabrican de vidrio Pírex envejecido. Las longitudes van de 10 a 45 cm y los diámetros van de 4. 7 a 6 mm. Se proveen calibrados en grados C, F y R. También, se encuentran de doble escala (C y F). Su característica mas sobresaliente es su alta precisión a bajo costo. Sirven de patrones para la calibración de otros instrumentos. Con el tiempo el vidrio se va contrayendo, disminuyendo el volumen del pozo lo cual eleva el valor del cero. Son muy frágiles.

Sensores de temperatura Termoresistencias Detector de Temperatura Resistivo (RTD) -La variación de la resistencia del elemento fabricado es directamente proporcional al cambio de temperatura a que es sometido. -El elemento consiste en un arrollamiento de hilo muy fino del conductor adecuado, bobinado entre capas de material aislante y protegido con un revestimiento de vidrio o de cerámica. Ventajas: *Posee una salida estable durante largos periodos de tiempo. *Fácil de recalibrar y exactitud en la medida sobre rangos de temperaturas relativamente estrechos. Desventajas: *En comparación con las termocuplas, son para rangos de temperaturas pequeños, tienen un costo inicial alto. *Son propensas a errores en su medición a grandes distancias por la resistencia que ofrece el cableado de señal.

Sensores de temperatura Detector de Temperatura Resistivo (RTD) -Los materiales (níquel, platino y cobre) que forman el conductor de la resistencia deben poseer las siguientes características: Alto coeficiente de temperatura del material Relación lineal resistencia vs temperatura Rigidez y ductilidad para su fácil fabricación Las RTD puede ser muy baratas en Cobre y Niquel pero luego pueden verse restringida en sus rangos de medición por los problemas de no-linealidad y oxidación, en el caos del cobre. Los materiales que mayormente se usan para su fabricación son: platino, níquel y cobre. Siendo la de platino la industrialmente mas usada designado como 100Ω a 0°C o Pt 100.

Sensores de temperatura Detector de Temperatura Resistivo (RTD) Los cables de conexión tienen una resistencia que es función del material usado, diámetro del conductor y su longitud. Esta resistencia puede sumarse a la de la RTD causando descompensaciones y errores en la medición. Para solucionar este problema tenemos la configuración de tres y cuatro hilos. - Las RTD´s de dos hilos son usadas típicamente en cortas distancias o con elementos de 1000 Ohmios. - Las resistencias L 1 y L 3 en cableados que llegan a tener 10 pies de longitud usualmente trabajan bien para RTD de 100 ohmios de tres hilos. - Este diseño es mucha mas costoso que los anteriores pero es la mejor opción cuando un alto grado de exactitud es necesario.

Sensores de temperatura Detector de Temperatura Resistivo (RTD) Materiales usados normalmente en las sondas. Coeficiente temperat ura C Intervalo útil de temper atura, C Metal Resistividad microhmi os. cm Platino 9. 83 0. 00392 - 200 a 950 Níquel 6. 38 0. 0063 a 0. 0066 Cobre 1. 56 0. 00425 Diámetro mínimo de hilo mm 0. 05 Coste rel ati vo Resistencia sonda a 0 °C ohmios Precisión C Alto 25. 100. 130 0. 01 - 150 a 300 Medio 100 0. 50 - 200 a 120 Bajo 10 0. 10 Características de sondas de resistencia

Sensores de temperatura Características de termómetros

Sensores de temperatura Termistor -Es un semiconductor que varía el valor de su resistencia eléctrica en función de la temperatura. Existen dos clases de termistores: NTC y PTC. -A diferencia de los RTD, los termistores, a pequeños cambios en temperatura producen grandes cambios en resistencia debido a su alto coeficiente de temperatura. Su rangeabilidad es limitada. -La relación entre la resistencia y la temperatura no es lineal sino exponencial: Se emplean en su fabricación óxidos semiconductores como el níquel, zinc y cobalto.

Sensores de temperatura Termistor -Termistor PTC (Positive Temprature Coefficient): Se utilizan en una gran variedad de aplicaciones: limitación de corriente, sensor de temperatura, desmagnetización y para la protección contra el recalentamiento de equipos tales como motores eléctricos. El termistor PTC pierde sus propiedades y puede comportarse eventualmente de una forma similar al termistor NTC si la temperatura llega a ser demasiado alta. Las aplicaciones de un termistor PTC están, por lo tanto, restringidas a un determinado margen de temperaturas. PARAMETROS BASICOS Rango -100 a 450°C Resistencia (25°C) de 0. 5Ώ a 100 M Ώ Temperatura Máx. 300°C Coeficiente de Disipación 1 m. W/ °K a 8 m. W/ °K Constante de Tiempo 1 ms a 22 s. Potencia Máxima 1 m. W a 1 W. Fabricado a partir de óxidos metálicos comprimidos y sintetizados

Sensores de temperatura Termopar o (Termocupla) El principio de funcionamiento se basa en la circulación de una corriente en un circuito cerrado formado por dos metales diferentes cuyas uniones (unión de medida o caliente y unión de referencia o fría) se mantiene a distinta temperatura. La selección del termopar se hace de forma que: • Tengan una resistencia adecuada a la corrosión, oxidación, reducción y cristalización. • Desarrollen una f. e. m. relativamente alta. • Sean estables. • De bajo coste • Baja resistencia eléctrica

Sensores de temperatura Termopar o (Termocupla) Tipos de termopares: Los termopares se encuentran clasificados, a través del siguiente código de colores.

Sensores de temperatura Existen tablas que permiten escoger las termocuplas mas adecuadas teniendo en cuenta la temperatura a medir. Estas pue. Termopar o (Termocupla) den ser de tipo E, T, J, K, R o S y N.

Sensores de temperatura Termopar o (Termocupla) CURVAS CARACTERÍSTICAS Por medio de estas graficas es posible, la anticipación de resultados en las mediciones

Sensores de temperatura Termopar o (Termocupla) Consideraciones Son altamente precisos y muchos más económicos que las termoresistencias. Las uniones de los termopares deben tener alta resistencia. Tener alta capacidad calorífica y respuesta lenta Alta temperatura de oxidación en temperaturas altas. La máxima temperatura que alcance debe ser inferior a la temperatura de fusión de su unión. El medio en que debe ser utilizado no debe atacar a ninguno de los metales. La corriente de medición debe ser mínima debido a los efectos antes mencionados.

Sensores de temperatura Pirómetros (medidores ópticos de temperatura Infrarrojos) Medidores basados en el principio de emisión / absorción, el equipo emite radiación por un fuente de referencia calibrada hacia el punto a medir, que absorbe parte de la energía emitida lo cual permite inferir la medición de temperatura. cualquier cosa que tenga una temperatura irradia calor o luz infrarroja (Termografía) EMISOR OBJETO RECEPTOR

Sensores de temperatura Pirómetros (medidores ópticos de temperatura Infrarrojos) El sistema óptico del termómetro de radiación recolecta parte de radiación proveniente de una muestra de la superficie y la dirige al detector. El cual la convierte en una señal eléctrica. El circuito electrónico convierte la señal eléctrica a una correspondiente a la temperatura de la superficie.

Sensores de temperatura Pirómetros (medidores ópticos de temperatura Infrarrojos) Medidores utilizados en aplicaciones que requieren de una alta exactitud, rangos elevados de temperatura (-50°C a 4000°C), no entran en contacto con el medio, existen modelos portátiles y fijos.

Sensores de temperatura Termopozo ( o Termowell) Es una cubierta o camisa que sirve de alojamiento al bulbo sensor con algún propósito ya sea de protección, calibración, seguridad, etc. Existen cuatro modelos básicos: • Estándar: Usado en donde las condiciones de instalación y fluidos son normales. • Con Extensión: Se recomienda en aquellas aplicaciones donde hay recubrimiento de aislamiento. Usualmente la extensión es de 75 mm (3”). • Cónico: Se usa donde circulan fluidos a altas velocidades o son del tipo erosivo o abrasivo. • Brida: Se usan cuando las condiciones de instalación así lo exigen o lo hace recomendable.

Sensores de temperatura Termopozo ( o Termowell) -Los materiales de fabricación pueden ser: Bronce Cobre Latón Aluminio Acero Inoxidable (304, 316, 304 L, 309, 310, 316 L, 410, 446 y otros). Materiales especiales: Alloy, Hastelloy, Inconel 600, Titanium, Cerámica. -Se recomienda el uso del termopozo: Protección mecánica (altas velocidades, impacto, etc. ) Protección a fluidos: abrasivos o erosivos, corrosivos, tóxicos o explosivos. Facilitar su mantenimiento y calibración.

Sensores medidores de distancia Las técnicas empleadas para la medición de distancia con sensores sin contacto son: Triangulación El tiempo de vuelo (pulsado) Medición de cambio de fase (CW) Modulación de frecuencia (CW) Interferometría Retorno de intensidad de la señal

Sensores medidores de distancia Sensor en el rango de microondas La tecnología de microondas se pueden utilizar para medir movimiento, velocidad, alcance y dirección del movimiento. pueden ser usados con seguridad en ambientes explosivos, porque el nivel de energía utilizada es muy baja (no hay riesgo de chispas). Su temperatura de Funcionamiento van desde -55°C a +125°C. Se puede trabajar en ambientes con polvo, humo, gases venenosos, y radiactividad. Normalmente, los sensores de microondas son utiliza para medir rangos de 25 a 45, 000 mm, mayores distancias son posibles dependiendo de la potencia y tamaño del objeto. La potencia reflejada regresar al receptor y disminuye a la cuarta potencia de la distancia al objeto. Típica rangos de longitud de onda utilizada desde 1 hasta 1000 mm.

Sensores de Luz Detector piroeléctrico Detectores piroeléctricos solo responden a cambios de irradiación y, normalmente , puede detectar radiación aproximadamente de 10^-8 W a 1 Hz. responden al calentamiento causado por la absorción de la radiación, tienen una amplia respuesta espectral. Son útiles como detectores de infrarrojos de bajo costo, alarmas y detectores de incendios.

Sensores de Luz Fotodiodos Los fotodiodos generan una pequeña corriente proporcional al nivel de iluminación. Algunas de las aplicaciones típicas son: En la industria (sensores de posición, lector de códigos de barras, impresoras láser). En comunicaciones (receptores de fibra óptica). En medicina (detección de rayos X, analizador de partículas en la sangre). En óptica (autofoco, control de flash). El modo de trabajo lineal más preciso se obtiene con el sistema denominado fotovoltaico Características de diferentes detectores de luz

Sensores de imagen Existen dos tipos de sensores de imagen (CCD y CMOS), ambos son de silicio y son similares en cuanto a sensibilidad al espectro visible y cercanos al IR. Ambas tecnologías convierten la luz incidente (fotones) en carga electrónica (electrones) por el mismo proceso de fotoconversión. Ambas tecnologías pueden incorporar sensores “photogate” o “photodiode”. Generalmente, los sensores “photodiode” son más sensibles, sobre todo a la luz azul. Pueden hacerse sensores de colores de la misma manera con ambas tecnologías; normalmente cubriendo cada píxel individualmente con un color de filtro (ej. rojo, verde, azul).

Sensores de imagen CCD Sensor La tecnología CCD usa un especializado proceso VLSI, que es una condensada malla de electrodos de polysilicio que se forma en la superficie del sensor. Técnicamente es factible pero sería muy caro integrar toda la circuitería de control de una cámara. Así que se necesitan varios chips para realizar una cámara con CCD. Los sensores CCD son de bajo ruido, proporcionando una excelente calidad de imagen, pero necesitan voltajes de alimentación altos y el consumo es alto. Principio de funcionamiento CCD

Sensores de imagen CMOS Sensor Los sensores de imagen CMOS detectan la luz de la misma manera que los sensores CCD, pero desde el punto vista de la detección, están mucho más avanzados que los CCD. Permiten la integración de toda la circuitería de control en el propio chip. El consumo es menor en los dos modos: trabajo y espera. Utilizan un bajo voltaje de alimentación. El costo es menor por el proceso de fabricación CMOS.

Microsensores Integrados Microsensores integrados se refieren a los sensores o las matrices de sensores que se han desarrollado utilizando la tecnología de microfabricación. La escala de longitud característica de las gamas de microsensores individuales se encuentran entre 10µm y 1 mm. Nanosensores hace referencia a los sensores con la escala micra de longitud característica del orden de 1 nm a 1 mm. Nano-sensores y micro-sensores Sensor electrostático

Microsensores Integrados Diagrama esquemático de un sensor de presión micro mecanizado Micrografía de un prototipo de sensor micromecanizado

REFERENCIAS [1]. J. Mayné, Sensores acondicionadores y procesadores de señal. [2]. R. Pallás Areny, Sensores y acondicionadores de señales. [3]. J. Fraden , Handbook of modern sensors. [4]. William C. Dunn, Introduction to Instrumentation, Sensors, and Process Control.