Sensores Instrumentacin y Comunicaciones Industriales 1 Introduccin u

Sensores Instrumentación y Comunicaciones Industriales 1

Introducción u Los Sensores son ejemplos de transductores Un transductor es un dispositivo que convierte energía de tipo calórica, lumínica, acústica, presión, movimiento, caudal, etc. a eléctrica para poder medirla y eventualmente controlarla en forma relativamente fácil Instrumentación y Comunicaciones Industriales 2

u Sensor u o Elemento Primario Criterios de Clasificación de Sensores – Según requerimientos de fuente de energía u Activos ó Pasivos – Naturaleza de la señal de salida u Digitales ó Analógicos – Naturaleza de la magnitud a medir u Mecánicos, Térmicos, Magnéticos, Químicos, etc. – Variable física de medida u Resistivo, Inductivo, Capacitivo, Piezoeléctrico, etc. Instrumentación y Comunicaciones Industriales 3

Clasificación según su función Sensor de revoluciones Sensor de fase Sensor de velocidad Medidor de masa de aire Medidor de flujo de aire Sensor de presión absoluta Sensor de temperatura de aire Sensor de temperatura de agua Sensor de posición de la mariposa Sensor de oxígeno Sensor de detonación Instrumentación y Comunicaciones Industriales 4

u u Clasificación según su principio de funcionamiento Sensor inductor Sensor Hall Sensor de alambre o lámina caliente NTC Medidor de potencia etc. Instrumentación y Comunicaciones Industriales 5

u Sensores Analógicos – Proveen una señal continua tanto en magnitud como en contenido espacial o temporal. u Temperatura, desplazamiento, intensidad lumínica, etc. Sensores Digitales La salida toma la forma de escalones o estados discretos. Contacto (switch), encoder, etc Instrumentación y Comunicaciones Industriales 6

Parámetros de los Sensores Campo de Medida, Rango (Range) – valores máximo y mínimo que pueden ser medidos Alcance (Span) – Diferencia algebraica entre los valores superior e inferior del campo de medida del instrumento. Error – diferencia entre el valor medido y el valor verdadero – – Error absoluto = resultado – valor verdadero Error relativo = error absoluto / valor verdadero Instrumentación y Comunicaciones Industriales 7

• Errores sistemáticos • Son resultado de una variedad de factores • Interferir o modificar variables (temperatura) • Drift (cambios en la estructura física o química) • El proceso de medida hace variar la magnitud (transmisor) • El medio de transmisión hace variar la señal (atenuación) • Errores humanos • Pueden ser corregidos con métodos de compensación Instrumentación y Comunicaciones Industriales 8

u Errores aleatorios – También denominado ruido: señal que no contiene información – Error aleatorio verdadero (ruido blanco) u Ruido ambiente (tomado por un micrófono) u Interferencia electromagnética u La relación señal ruido debe ser >>1 Instrumentación y Comunicaciones Industriales 9

u Exactitud – Es la cualidad del instrumento que tiende a dar lecturas próximas al valor verdadero de la magnitud medida u Precisión – Es el grado de reproducibilidad de las medidas Instrumentación y Comunicaciones Industriales 10

Sensores de Temperatura u RTD (Detector de Temperatura Resistivo) Resistencia variable con la temperatura RT= R 0 (1 + a DT + b DT 2 + ····) R 0 es la resistencia a la temperatura T 0 Son de coeficiente positivo DT es la diferencia de temperaturas (T- T 0) a, b, . . . Son los coeficientes de cada metal Instrumentación y Comunicaciones Industriales 11

Materiales para la fabricación de RTDs Propiedades: cobre, níquel, hierroníquel, platino -Maleables -Curva de transferencia estable y repetitiva -Resistentes a la corrosión -Bajo costo -Variación de resistencia lineal con la temperatura Instrumentación y Comunicaciones Industriales 12

Formas Constructivas Bobinada Película Metálica Bobina Suspendida Instrumentación y Comunicaciones Industriales 13

Ventajas y desventajas de las RTDs u Ventajas: – Lineales – Estables – Intercambiables u Desventajas – – – Sensibilidad baja Voluminosas Alta Inercia Térmica (Alto tiempo de respuesta) Medianamente frágiles Autocalentamiento Instrumentación y Comunicaciones Industriales 14

Termistores – Materiales semiconductores que utilizan como variable su resistencia para detectar variaciones de temperatura. Se fabrican con óxidos de diversos metales como níquel, cobalto, cobre, titanio, manganeso, etc Instrumentación y Comunicaciones Industriales 15

Donde: T: es la temperatura (en º kelvin), TRef es la temperatura de referencia, generalmente la temperatura ambiente (25 °C; 77 °F; 298. 15 ºK) R: es la resistencia del termistor (W) RRef: es la resistencia a TRef b: es una constante de calibración dependiente del material del termistor, generalmente entre 3, 000 and 5, 000 ºK. Instrumentación y Comunicaciones Industriales 16

u Ventajas: – Alta sensibilidad – Alta precisión (+/- 0. 02 ºC) – Pequeño Tamaño – Baja Inercia Térmica (bajo tiempo de respuesta) – Estabilidad y repetibilidad a largo plazo – Coeficientes positivos y negativos (PTC, NTC) u Desventajas – Altamente alineales – Limitado rango de utilización (-40 ºC a +150 ºC) Instrumentación y Comunicaciones Industriales 17

Termocuplas (pares termoeléctricos) u Sensores de temperatura por efecto termoeléctrico, conformado por dos metales distintos conectados en dos junturas diferentes. Instrumentación y Comunicaciones Industriales 18

u Principio u Efecto de funcionamiento Seebek: En un circuito conformado por dos metales cuyas junturas están a temperaturas diferentes, circula una pequeña corriente. u Efecto Peltier: Reversibilidad del fenómeno. Si se aplica una tensión al circuito anterior, una juntura se calienta y la otra se enfría dependiendo del sentido de circulación de la corriente. u Efecto Thompson: Cualquier material conductor homogéneo, expuesto a un gradiente de temperatura, genera una fem entre sus extremos. Instrumentación y Comunicaciones Industriales 19

Tipos de termocuplas u Las termocuplas se consiguen en diferentes combinaciones de metales o calibraciones. Las cuatro más comunes son las tipo: J, K, E y B. Cada una tiene diferente rango de aplicación dependiente de la temperatura y el entorno de trabajo. Instrumentación y Comunicaciones Industriales 20

u Semiconductores – Es un dispositivo semiconductor con las propiedades de un diodo – Económico, lineal y fácil de usar – Rango de temperatura limitado (-50 C to 150 C) debido a la naturaleza de los materiales semiconductores Instrumentación y Comunicaciones Industriales 21

Pirómetro También denominado termómetro de radiación, es un instrumento que permite medir la temperatura de una superficie midiendo la radiación electromagnética (infrarroja o visible) emitida por un objeto. u La radiación EM de características térmicas abarca un rango de longitudes de onda que van desde el ultravioleta profundo hasta mitad del infrarrojo (0. 1 a 100 mm). u Instrumentación y Comunicaciones Industriales 22

Sensor de revoluciones y PMS Tiene por finalidad generar la señal de rotación del motor y la posición del cigüeñal. Combinando la señal de rotación y PMS, permite a la UCE identificar el cilindro en encendido u Reluctancia magnética Instrumentación y Comunicaciones Industriales 23

u Efecto Hall En un conductor por el que circula una corriente, en presencia de un campo magnético perpendicular al movimiento de las cargas, aparece una separación de cargas que da lugar a un campo eléctrico en el interior del conductor, perpendicular al movimiento de las cargas y al campo magnético aplicado. Instrumentación y Comunicaciones Industriales 24

Medidor de Paso de masa Permite calcular con buena precisión la masa de aire directamente aspirada por el motor, para calcular junto con otros parámetros, la cantidad óptima de combustible. Alambre caliente Lámina caliente Instrumentación y Comunicaciones Industriales 25

u El termistor mide la temperatura del aire entrante. El hilo caliente se mantiene en una temperatura constante en relación con el termistor del circuito de control electrónico. Un aumento del flujo de aire hace que el hilo caliente pierda calor más rápidamente y los circuitos de control electrónico lo compensan enviando una corriente mayor a través del hilo. El circuito de control electrónico al mismo tiempo mide el flujo de corriente y emite una señal de tensión (VG) en proporción a el flujo de corriente. Instrumentación y Comunicaciones Industriales 26

Sensor de detonación u Permite identificar el fenómeno de detonación e informar a la UCE para que esta pueda procesar una estrategia de retardo en el punto de encendido Instrumentación y Comunicaciones Industriales 27

Principio de funcionamiento u u u Piezoeléctricos: Este efecto reversible, permite que al aplicar energía eléctrica sobre dos caras del material, se produzca una deformación mecánica en las otras dos. Se utilizan: cristales de cuarzo, cerámicas, sal de Rochelle. La frecuencia de detonación (pistoneo) es aproximadamente 15 KHZ. Instrumentación y Comunicaciones Industriales 28

Sonda Lambda Permite medir la concentración de oxígeno en los gases de escape antes de que sufran alguna alteración. La medida del oxígeno es representativa del grado de riqueza de la mezcla, magnitud que la sonda transforma en un valor de tensión y que comunica a la unidad de control del motor Instrumentación y Comunicaciones Industriales 29

Los gases de escape de un motor están formados en un 80% por Nitrógeno, un 14 -16% de dióxido de carbono o CO 2, y el resto agua (vapor) además de una pequeña proporción de contaminantes, siendo los principales los hidrocarburos (HC) y el monóxido de carbono (CO). El oxígeno residual es de un 0, 3 % aproximadamente. El valor se sitúa para λ>1 (mezcla pobre, falta de combustible o exceso de aire) entre 0 y 150 m. V, para λ<1 (mezcla rica), exceso de combustible o falta de aire) entre 800 y 1000 m. V Instrumentación y Comunicaciones Industriales 30