Introducción a la Electrónica

Introducción a la Electrónica
Unidad 7: Sensores
9 7.1 – Introducción
9 7.2 – Sensado de Temperatura
9 7.3 – Sensado de deformación, fuerza, presión y peso
9 7.4 – Sensado de posición, velocidad y aceleración
9 7.5 – Conexionado de los sistemas de sensado a la captura de datos
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MOTIVACION
Todo proceso de fabricación o industrial requiere
monitorear o controlar algunas magnitudes.
Para ello, resulta INDISPENSABLE interactuar con
el medio.
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OBJETIVO
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SENSOR
Es todo dispositivo que convierte una señal de una forma
física en una señal correspondiente pero de otra forma física
distinta.
Proceso
Entrada
Señal de salida
(Mag. Física A)
(Mag. Física B)
Sensor
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Aspectos Generales
TIPOS DE SEÑALES EN SENSORES
9 Entrada: mecánicas, térmicas, magnéticas, eléctricas,
ópticas y moleculares (químicas).
9 Salida : tensión, corriente, frecuencia, desplazamiento,
fuerza, luz, etc.
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Aspectos Generales
Porqué la salida es habitualmente una magnitud eléctrica?
9 La estructura electrónica de la materia hace que cualquier variación
de un parámetro NO eléctrico de un material genere una variación
de un parámetro eléctrico.
9 Los amplificadores electrónicos permiten extraer un mínimo de
energía del sistema en el proceso de medición.
9 La transmisión de señales eléctricas es mas versátil que el de otro
tipo de señal.
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Aspectos Generales
CARACTERISTICAS GENERALES DE UN SENSOR
9 Campo de medida: Espectro de valores comprendidos dentro de los
límites superior e inferior de la capacidad de medida del dispositivo. Por
ej., de un sensor de Tº pudiese ser 100-300ºC.
9 Alcance: Es la diferencia algebraica entre los valores superior e inferior
del campo de medida del instrumento.
9 Error: es la diferencia algebraica entre el valor leído y el valor real de la
variable medida. Puede ser estático o dinámico.
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Aspectos Generales
CARACTERISTICAS GENERALES DE UN SENSOR
9 Incertidumbre: es la dispersión de los valores que pueden ser
atribuidos razonablemente al verdadero valor de la magnitud medida.
Se determina estadísticamente.
9 Precisión: define los límites de los errores cometidos (en condiciones
normales).
9 Sensibilidad: es la razón entre el incremento de la lectura y el
incremento de la variable que lo ocasiona.
9 Otros: Zona muerta, histéresis, fiabilidad, resolución, ruido, linealidad,
estabilidad, etc.
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Sensores de Temperatura
PRINCIPIOS DE SENSADO DE TEMPERATURA
9 Variaciones del volumen o estado de los cuerpos (Termómetros).
9 F.e.m. creada en la unión de dos metales distintos (Termocuplas).
9 Variación de resistencia de un conductor (RTDs)
9 Variación de resistencia de un semiconductor (Termistores).
9 Intensidad de la radiación total emitida por el cuerpo (pirómetros de
radiación).
9 Otros fenómenos utilizados en laboratorio (velocidad del sonido en un
gas, frecuencia de resonancia de un cristal, etc.)
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Sensores de Temperatura
BIMETALES
9 Un sensor bimetálico consiste en el laminado conjunto de dos
metales de distinto coeficiente de dilatación.
9 Ante una variación de temperatura, los metales sufrirán distintas
deformaciones provocando una curvatura hacia uno de los planos.
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Sensores de Temperatura
BIMETALES (2)
a- Cintas en equilibrio térmico
b- Deformación de Cintas ante variación de Tº
α1 y α2: coeficientes de expansión
n = E1/E2 (E1, E2: coef. de elasticidad)
n = t1/t2 (t1, t2: espesores)
t = t1+t2 (espesor total de la lámina)
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Sensores de Temperatura
TERMOCUPLAS
Su funcionamiento se ve justificado por el efecto Seebeck: si las junturas
del conexionado entre dos metales diferentes se encuentran a distinta
temperatura, se induce una f.e.m (V).
V(Tº,To,α) ≈ α(Tº - To) = αTº - αTo
V: fem inducida (µV ó mV)
Tº: Temperatura a medir
To: Temperatura de referencia (ambiente)
α: coeficiente de sensibilidad (µV/ºC)
Esquema Termocupla tipo K
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Sensores de Temperatura
TERMOCUPLAS (2)
9 La medición depende de la temperatura de referencia
(habitualmente ambiente). Por ello, debe agregarse un elemento
compensador que inmunice el registro de toda variación.
9 La tensión generada tiene un comportamiento NO lineal en relación
a la variación de la temperatura.
9 La salida es una pequeña señal, y por ello, muy vulnerable a
absorber ruido eléctrico.
9 La mayoría de los errores de medición son causados por uniones
no intencionales (cualquier contacto entre dos metales distintos
creará una unión).
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Sensores de Temperatura
TERMOCUPLAS (3)
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Sensores de Temperatura
RTD (RESISTANCE TEMPERATURE DETECTOR)
Es un elemento de material cerámico que manifiesta grandes cambios
en su resistencia eléctrica ante variaciones de temperatura. Esta
dependencia puede estimarse como:
Rt = R0 (1 + at + bt2 + ct3 +· · ·)
donde,
R0 = resistencia a una temperatura de referenciaRt = Resistencia a la temperatura t
a = coeficiente de variación de la resistencia con la temperatura (Ω/ºC)
b, c = coeficientes estimados a partir de puntos de calibración.
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Sensores de Temperatura
RTD (2)
Característica Temperatura/Resistencia de materiales termoresistivos típicos.
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Sensores de Temperatura
RTD (3)
9 El material detector típicamente empleado es platino.
9 Garantizan una medición precisa en el rango -185 a 650ºC
9 La variación de la resistencia con la temperatura es lineal y estable en
el tiempo.
9 Los sensores RTD se utilizan para monitoreo y control de procesos.
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Sensores de Temperatura
RTD (4)
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Sensores de Temperatura
TERMISTORES
Un termistor es un dispositivo eléctrico de material sólido semiconductor
con un alto coeficiente de variación de su resistencia eléctrica ante
variaciones de temperatura.
La dependencia de la resistencia con la temperatura puede aproximarse
como:
R0 = resistencia a u n valor de Tº de referencia (por ej., 0ºK)
RT = resistencia a la temperatura T K,
B = constante que depende del proceso de fabricación.
Otra manera de expresar esta aproximación sería:
R∞ = valor de resistencia estimada a una temperatura aproximadamente infinito.
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Sensores de Temperatura
TERMISTORES (2)
9 Los materiales mas frecuentemente
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utilizados son óxidos de cobalto,
cobre, hierro, magnesio, manganeso,
nickel, titanio, zinc, etc.
Según su resistencia aumente o
disminuya ante un incremento de la
temperatura, el termistor se clasificará
en PTC o NTC.
Alta sensibilidad.
Alto nivel de salida.
Poca estabilidad.
De difícil calibración
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Sensores de Temperatura
PIROMETROS DE RADIACION
9Pertenecen al grupo de los elementos de termometría por
radiación.
9Son una aplicación práctica de la fórmula de Planck
W(λ):Energía de radiación electromagnética por
unidad de longitud de onda.
ε(λ): emitividad de un objeto
C1= 3.74´10–12Wcm2
C2= 1.44 cmK
9Hacen posible medir la temperatura de un cuerpo sin tomar
contacto con éste.
9Permiten rangos de medición muy amplios (hasta1100◦C con una
precisión de ±0.01◦C)
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Sensores de Temperatura
PIROMETROS DE RADIACION
Curva de densidad espectral en función de la longitud de onda.
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Sensores de Temperatura
PIROMETROS DE RADIACION
9 Utilizan un sistema óptico.
9 Una lente concentra la radiación del objeto en una
termopila formada por varios termopares.
9 La termopila proporciona una f.e.m. que es la diferencia
entre la unión caliente (radiación procedente del objeto
enfocado) y la unión fría (caja del pirómetro, Tº
ambiente).
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Sensores de Temperatura
PIROMETROS DE RADIACION
a- Esquema de un pirómetro
b- Despiece opciones de ensamble de un pirómetro
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Sensores de Temperatura
SEMICONDUCTORES
9 Basan su funcionamiento en la sensibilidad con la temperatura de la
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juntura pn.
Logra alta precisión a un bajo costo.
La sensibilidad de una juntura pn está definida por ecuaciones y
son fácilmente predecibles en rangos típicos de trabajo (-55ºC a
150ºC).
Si bien el coeficiente de variación que se logra es menor que con
una RTD, el comportamiento de un sensor semiconductor de juntura
es mucho mas lineal.
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Sensores de Temperatura
SEMICONDUCTORES
Transistor bipolar configurado como sensor de Tº
Tensión base emisor vs. Tº en un sensor de silicio.
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Sensores de Temperatura
Campo de medida de los instrumentos de temperatura
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