UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE TULANCINGO ÁREA ELECTROMECÁNICA Carrera: Ingeniería Industrial SENSORES Y TRANSDUCTORES MATERIA: Metrología Industrial ALUMNOS: Daniel Alejandro Rivera Villa Jesús Barrón Muñoz César Juárez Linarte Miguel Angel Urvizo Herrera Luis Angel López Tolentino Gilberto Barrón Romero Cristian León Cabrera Profesor: Ing. Alberto Hernández Mora CONTENIDO INTRODUCCIÓN ............................................................................................................... 3 PRÁCTICA MEDICIÓN DE TEMPERATURA .................................................................. 17 Materiales .................................................................................................................... 17 Sensor DS18B20 ......................................................................................................... 17 CarecterÍsiticas técnicas del DS18B20 ......................................................................... 18 Conexión de los pines del sensor DS18B20 ................................................................. 18 Modo alimentación por el pin VDD ................................................................................. 19 PROGRAMA UTILIZADO ................................................................................................ 19 RESULTADOS ................................................................................................................ 21 CONCLUSIÓN ................................................................................................................. 21 BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................................ 22 Página 2 de 22 INTRODUCCIÓN Los sensores y transductores proporcionan seguridad en procesos automatizados y controlados, así mismo la industria en los últimos años los ha ido implementando hasta volverlos imprescindibles. Un sensor detecta los distintos tipos de materiales empleados en un proceso con la finalidad de transmitir una señal en buen estado. Es importante conocer los datos del producto y/o condiciones de la maquinaria utilizada, conociendo así la temperatura, presión, nivel, proximidad, entre otros tipos de datos que proporcionan los sensores y transductores. Igualmente en la medición juegan un papel fundamental al transformar variables físicas en datos referentes al proceso y producto que son interpretados mediante herramientas estadísticas. A continuación se muestran distintos sensores y transductores que son utilizados regularmente en la industria, así mismo el reporte de práctica de la medición de temperatura usando software Arduino. SENSORES DE TEMPERATURA Un transductor es un aparato o dispositivo que es capaz de transformar o convertir determinado tipo de energía de entrada, por uno distinto en la salida. Dependiendo de la aplicación que éstos tengan, el mismo nombre nos indicará el tipo de conversión que realiza, por ejemplo, un transductor electromecánico transforma determinada señal eléctrica en una mecánica y a la inversa, una mecánica en una eléctrica; el micrófono es otro ejemplo de un transductor de uso común y de la rama de los electro-acústicos, es un aparato que transforma las señales de audio que recibe en un impulso eléctrico. Los transductores tienen diversas aplicaciones y los podemos encontrar en la industria, la agricultura, la medicina interna, la robótica, la industria férrea, entre otros. Se utiliza para transformar la información y datos en contextos químicos y/o físicos, y a partir de éstos obtener impulsos o señales eléctricas o a la inversa. Dicho lo anterior, podemos decir que los transductores de temperatura convierten el fenómeno físico de la temperatura en una señal eléctrica normalizada, misma que es transferida a un instrumento (controlador, registrador de temperatura, tarjeta de adquisición de datos, etc.). El uso de los transductores de temperatura permite, por ejemplo, que los aparatos de calefacción o climas, al alcanzar determinad temperatura en el ambiente, ya sea fría o caliente, se enciendan o se apaguen y forma automática. Página 3 de 22 Existen diferentes tipos de transductores de temperatura, entre los cuales podemos encontrar los siguientes: Termopares Termistores Termómetros de resistencia Termopares Un termopar es un sensor que se utiliza para medir temperatura el cual se compone de dos metales de distinto material que logran convertir energía térmica en energía eléctrica. Figura 1 Sensor termopar Existen diferentes tipos y todos ellos varían por el material del que están formados, la temperatura máxima a la que se pueden someter. Cabe aclarar que para elegir uno en especial se deben tomar en cuenta varios aspectos, entre ellos… la atmosfera a la que se va exponer, temperatura que se va a medir y precisión requerida. Cualquier tipo casi siempre son empleados para procesos industriales. Se enlistan los tipos más comunes en el mercado: TIPO E: Cromel - Constantan Temperaturas desde 95 hasta 900ºC Este produce un mili voltaje que es más alto de todos los utilizados comúnmente. TERMOPAR TIPO J: Fierro - Constantan Es uno de los 2 tipos más comunes Para temperaturas de 95 a 760ºC Es uno de los más comunes industrialmente. Se oxida fácilmente sin protección. Página 4 de 22 TERMOPAR TIPO K: Cromel - Alumel Es de los más comunes Temperaturas desde 95 a 1260ºC Igualmente es uno de los más comunes No es para atmosferas reductoras sin protección TIPO N: Nicrosil - Nisil Desde 650 a 1260ºC (ALTAS TEMPERATURAS) Resiste más a temperaturas oxidantes. En atmosferas sulfurosas tiene mayor tiempo de vida. TERMOPAR TIPO T: Cobre - Constantan Para aplicación en temperaturas bajas y criogénicas. Soporta temperaturas reductoras y oxidantes. Soporta de -200 a 350ºC Termistores Es un elemento de detección de temperatura compuesto por material semiconductor sinterizado que presenta un gran cambio en la resistencia en proporción a un cambio pequeño en la temperatura. En general, los termistores tienen coeficientes de temperatura negativos, lo que significa que la resistencia del termistor disminuye a medida que aumenta la temperatura. Figura 2 Sensor termistor Página 5 de 22 Los termistores se fabrican con una mezcla de metales y materiales de óxido metálico. Una vez mezclados, los materiales se conforman y se hornean en la forma requerida. Los termistores pueden utilizarse tal cual, como termistores tipo disco, o seguir dándoles forma y montándolos con cables conductores y revestimientos para formar termistores tipo perla. Figura 3 Termistores NTC ¿Cuál es el mejor termistor para mi aplicación? Tanto si se desea sustituir un termistor existente como seleccionar uno para una aplicación nueva, hay tres datos clave necesarios para obtener el resultado deseado. Son los siguientes: 1. Seleccionar la resistencia base correcta para la nueva aplicación o especificar correctamente la resistencia base del termistor que necesita sustituirse. 2. Especificar una resistencia en comparación con la relación de temperatura («curva») o, para aplicaciones de sustitución, asegurarse de conocer la información del termistor existente. 3. Tamaño del termistor o tipo de encapsulado del censo. Página 6 de 22 Termómetro de resistencia Son transductores de temperatura, opera mediante el cambio de resistencia eléctrica de una sustancia con la temperatura, la sustancia generalmente es un metal, pero también pueden usarse electrólitos y materiales no metálicos semiconductores. Figura 4 Termómetro de resistencia Los límites de temperatura son entre 300 a 1200 °F, los materiales más usados como termómetros a resistencia son el platino, el cobre y el tungsteno, estos tienen que tener alta pureza para garantizar una relación continua y estable entre resistencia eléctrica y temperatura así como un coeficiente térmico promedio de resistencia relativamente alto. El platino tiene la particularidad de tener una relación resistencia-temperatura sumamente lineal, por lo cual es el material más utilizado y generalmente se le denominan a estos termómetros IPRT (Industrial Platinum Resistance Thermometer) o RTD (Resistance Temperature Detector). Página 7 de 22 Termómetro de resistencia WTR 130 Figura 5 Ficha técnica Termómetro de resistencia WTR 130 Termómetro de resistencia PT-700 Figura 6 Ficha técnica, termómetro de resistencia PT-700 Página 8 de 22 Termómetro de resistencia TST001 Figura 7 Termómetro de resistencia TST001 Página 9 de 22 SENSORES DE FLUJO Sensor capacitivo Características físicas El sensor capacitivo es de forma cilíndrica los fabricantes emplean normalmente carcazas idénticas. Lo que hace el objeto, al estar dentro del campo eléctrico, es aumentar la capacidad de esa área, y por lo tanto cambiar la capacitancia de la misma, esto hace que el circuito interno del sensor entre en resonancia.( figura 8) Figura 8 Esquema sensor capacitivo Los sensores capacitivos reaccionan a todos los materiales que posean una constante dieléctrica grande y a metales. Tabla 1 características de sensor capacitivo Características Eléctricas del Sensor: Voltaje Alterno AC Voltaje Continuo DC PNP / NPN Multi-voltaje Salida por Relay NAMUR - ExG A prueba de Explosión por Polvo- StEx A prueba de Explosión G + D Conector Cable Características de la Carcasa del Sensor : Según Característica del Producto a Detectarse: Constante Dielectrica – Permitividad - εr Líquidos Granulados, polvo Viscoso – Pegajoso Carga Electrostática Químicos Agresivos Densidad Peligro de Explosión Conductividad Temperatura Presión Página 10 de 22 Sensor inductivo Características físicas Los sensores de proximidad inductivos incorporan una bobina de electromagnética la cual es usada para detectar la presencia de un objeto conductor. Este tipo de sensor ignora objetos no metálicos figura (9). Figura 9 Sensor inductivo Los sensores de proximidad tienen bobinas enrolladas en nucleo de ferrita. Estan pueden ser blindadas o no blindadas. Los sensores no blindados generalemnte tienen una mayor distancia de sensado que los sensores blindados Figura(10) Figura 10 Componentes de un sensor inductivo Página 11 de 22 Sensor ópticos Características físicas Detectan la presencia de una persona o de un objeto que interrumpen el haz de luz que le llega al sensor. Dicho valor disminuía con la luz, de forma que cuando reciben un haz de luz permiten el paso de la corriente eléctrica por el circuito de control. Cuando una persona o un obstáculo interrumpen el paso de la luz, la LDR aumenta su resistencia e interrumpe el paso de corriente por el circuito de control. Las LDR son muy útiles en robótica para regular el movimiento de los robots y detener su movimiento cuando van a tropezar con un obstáculo o bien disparar alguna alarma. También sirven para regular la iluminación artificial en función de la luz natural. El circuito que aparece en la imagen superior derecha nos permitiría controlar la puesta en marcha de una alarma al disminuir la intensidad Figura 11 Esquema, sensor óptico Página 12 de 22 SENSORES DE FLUJO El sensor de flujo es un dispositivo que, instalado en línea con una tubería, permite determinar cuándo está circulando un líquido o un gas. Estos son del tipo apagado/encendido; determinan cuándo está o no circulando un fluido, pero no miden el caudal. Para medir el caudal se requiere un caudalímetro. Sensores 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 qué caudal se activará el sensor. Ejemplo Unidades de monitorización para uso en dosificadores o alimentadores de lubricante Es necesario tener en cuenta los siguientes puntos a la hora de seleccionar el dispositivo de monitorización adecuado: Sistema de lubricación distribuidor de lubricante / dosificador / alimentador utilizado Lubricantes Tensión de funcionamiento Presión de funcionamiento Figura 12 Sensor de pistón Página 13 de 22 Figura 13 Ficha técnica, sensores de pistón Página 14 de 22 Sensor de paleta Este modelo es recomendado para medir grandes caudales, de más de 20 LPM. Su mecanismo consiste en una paleta que se ubica transversalmente al flujo que se pretende 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. Figura 15 Montaje estándar de paletas Página 15 de 22 Figura 14 Sensor de paleta Sensor 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. Figura 16 Sensor de elevación Especificaciones: Marca: Gemas sensores, Max. Voltaje: 24, MPN: FT-110, 173935C, contacto con materiales: Nylon, PTFE/Grafito, NumberOfItems: 1, tipo de circuito: NPN, longitud (pulg.): 2-5/32, conexión tamaño (pulg.): 3/8 MNPT, altura (pulg.): 11/4, presión de funcionamiento (PSI): 200, Material de la cubierta: Nylon 12, Cable Longitud (pies): 3, precisión: +/-3, gama del flujo: 0,26 a 6.6 gpm, anchura (pulg.): 45/64, rango de flujo (GPM): 0,26 a 6.6, operativo Temp. Rango (F): 212, gama del flujo (LPM): 2.0 a 30.0, Conductor de calibre: AWG #22, fuente de alimentación: 5 a 24 VDC @ 8 Página 16 de 22 PRÁCTICA MEDICIÓN DE TEMPERATURA Para demostrar la funcionalidad y utilidad de los sensores mediante uu transductor se realizó la practica de mediocion de temperatura con sonres y transducrores en el centro de PLC. Materiales 1.- Arduino Uno, con cable de conexión 2.- Sensor de temperatura de agua sumergible DS18B20 3.- LED color verde 4.- Resistencia con valor óhmico de 4.7 K 5.- Resistencia con valor óhmico de 3.3 K 6.- Resistencia con valor óhmico de 1.0 K Para proseguir a la practica y tomando como referencia la descirpcion de senores y transductores se muestran a continuacion del sensor y transductor a utilizar. Sensor DS18B20 Este sensor cuenta con tres pines útiles VDD, GND y DQ. VDD: es la tensión de alimentación es decir, que voltaje necesita para que el sensor de temperatura DS18B20 funcione correctamente. Podemos alimentar desde 3V a 5,5V. GND: es la toma de tierra. A este pin conectaremos la referencia 0V de nuestro circuito. DQ: es el pin de datos. Por este pin es por donde se recibirán todos los datos en el protocolo 1-Wire. Este protocolo tiene una ventaja. Como su propio nombre indica (1-Wire significa un cable en español). Rango de temperatura Puede medir temperaturas entre -55ºC y 125ºC. Es un rango muy amplio sin embargo, no en todo el rango tenemos el mismo error. Error de medición Para temperaturas entre -10ºC y 85ºC podemos tener ±0,5ºC. Para el resto de temperaturas entre -55ºC y 125ºC el error es de ±2ºC. CarecterÍsiticas técnicas del DS18B20 Figura 17 Características técnicas del sensor DS18B20 Conexión de los pines del sensor DS18B20 Se determina la resistencia pull-up. Como ya te he comentado nos servirá para tener en pin DQ siempre un modo alto o HIGH. La resistencia que se vaya a utilizar dependerá de la longitud del cable. Por norma general utilizaremos siempre una de 4,7 kΩ. Figura 18 Descripción de conexión de pines en sensor DS18B20 Página 18 de 22 Modo alimentación por el pin VDD La alimentación por este pin es desde 3V a 5,5V. No se debe sobrepasar el máximo valor o se dañará el sensor de temperatura DS18B20. El esquema de conexión con el Arduino 1 se muestra en la figura. Figura 19 Modo de alimentación a Arduino 1 PROGRAMA UTILIZADO El primer programa se muestra en la figura 20, en el cual se inicia con las bibliotecas para Arduino 1 de temperatura. Igualmente se pide que arroje los datos detectados por el sensor. Figura 20 Programa sensor de temperatura Página 19 de 22 En la segunda parte de la práctica se implementaron nuevas instrucciones al transductor, siendo el más importante el interruptor de un LED, brindando instrucciones de apagado y prendido en intervalos de temperatura asignados. Figura 21. Figura 21 Programa de temperatura con LED Página 20 de 22 RESULTADOS Al finalizar la práctica de programación del transductor (Arduino 1) se lograron obtener datos de medición de temperatura, siendo el primer programa sin la implementación de LED y el segundo parámetros de temperatura para encendido de LED. En la figura 22 se muestra una captura de los datos mostrados en un periodo de tiempo de funcionamiento del sensor. Figura 22 Datos de medición de temperatura con sensor DS18B20 CONCLUSIÓN Mediante la utilización de transductores y sensores se pudo transformar variables físicas en datos medibles e interpretables para el analista, siendo el caso específico de la temperatura; con el sensor utilizado (DS18B20) y como modo de prubea se pudo obtener datos de la temperatura ambiental, corporal y de liquidos (agua), se observó el cambio y reaccion de la interpretacion del trnasductor arrojados en la consola. Asi mismo se evidenció la utilidad de ayudas visuales (por ejemplo, LED) en las mediciones y el control de varibles de importancia en la industria. Página 21 de 22 BIBLIOGRAFÍA Ruiz, M. (2007). Arduino: Manual de Programación. Obtenido de: https://arduinobot.pbworks.com/f/Manual+Programacion+Arduino.pdf R. Pallás Areny, Sensores y Acondicionadores de señal, Ed. Marcombo. J. Fraden, Handbook of Modern Sensors, AIP Press. H.N. Norton, Handbook of Transducers, Ed. Prentice Hall. S. Middelhoek, S.A. Audet, Silicon Sensors, Ed. Academic Press. Página 22 de 22
