Índice
Unidad 3: Interruptores y Sensores
3.1
INTERRUPTORES (PRESIÓN, NIVEL,
TEMPERATURA,
FLUJO, LÍMITE).
3.2
PRINCIPIO DE TRANSDUCCIÓN.
3.3
SENSORES DE PRESIÓN.
3.4
SENSORES DE FLUJO.
3.5
SENSORES DE TEMPERATURA.
3.6
SENSORES DE NIVEL.
3.7
SENSORES DE PESO, VELOCIDAD,
CONDUCTIVIDAD,
PH, ETC.
3.8 CRITERIOS PARA LA SELECCIÓN DE UN SENSOR.
BIBLIOGRAFIA
3.1 INTERRUPTORES (PRESIÓN, NIVEL, TEMPERATURA, FLUJO,
LÍMITE).
-
Interruptor
de presión
Es un aparato que cierra o abre un circuito eléctrico
dependiendo de la lectura de presión de un fluido, también conocido como
presostato.
- El fluido ejerce una presión sobre un pistón interno haciendo que
se mueva hasta que se unen dos contactos. Cuando la presión baja un
resorte empuja el pistón en sentido contrario y los contactos se separan.
- Un tornillo permite ajustar la sensibilidad de disparo del
presostato al aplicar más o menos fuerza sobre el pistón a través del
resorte. Usualmente tienen dos ajustes independientes: la presión de
encendido y la presión de apagado.
No deben ser confundidos con los transductores de
presión (medidores de presión), mientras estos últimos entregan una señal
variable en base al rango de presión, los presostatos entregan una señal
apagado/encendido únicamente.
-
Interruptor
de nivel
Los interruptores de nivel tipo desplazador de montaje
superior ofrecen una amplia gama de opciones y
configuraciones de alarmas y controles de nivel. Estos equipos emplean el principio de flotación y sirven para aplicaciones
sencillas o
complejas tales como alarmas de alto y/o bajo nivel o control de múltiples
bombas y/o alarmas. Los interruptores tipo desplazador son eficientes y
sencillos. Los cambios de nivel de líquido
cambian las fuerzas de flotación que actúan sobre los desplazadores suspendidos
por un cable de un resorte de rango que se expande o contrae moviendo
una camisa de atracción magnética. Un imán en el mecanismo del interruptor sigue el movimiento de la camisa de
atracción sin tocarla (acoplamiento magnético) causando que el
interruptor o interruptores se disparen. Los interruptores de nivel se utilizan
principalmente en: Alarmas de nivel Arranque y paro de bombas Abrir o cerrar
válvulas en forma instantánea Líquidos en agitación, turbulencia o con espuma
Líquidos sucios y aceites pesados Químicos, pinturas y tintes.
-
Interruptor de temperatura
Los interruptores de temperatura o termostatos están destinados a funcionar
donde ocurren cambios de temperatura en un recinto, o en el aire que rodea el
elemento de detección de temperatura. La operación del interruptor de la
temperatura es similar a la operación del interruptor de presión o presóstato; ambos
interruptores son accionados por los cambios en la presión. Se diseña el elemento de temperatura de manera que un cambio en
la temperatura produce un cambio en la presión interna de un sistema térmico
lleno (bulbo lleno de gas o aire, o hélice llena), que está
conectado al dispositivo actuador por un pequeño tubo o cañería. Un cambio de temperatura causa un cambio en el
volumen de gas del bulbo, que causa un movimiento del fuelle. El movimiento es
transmitido por un émbolo al brazo del interruptor. Un contacto
móvil está en el brazo. Un contacto fijo puede ser colocado de manera que el
interruptor se abrirá o se cerrará con una
elevación de temperatura. Esto permite que los contactos del interruptor
sean fijados para cerrarse cuando la temperatura cae a un valor predeterminado
y abrirse cuando las elevaciones de temperatura superan al valor deseado. La
acción inversa se puede obtener por un cambio en las posiciones del contacto.
-
Interruptor de limite
Un interruptor de
límite es un dispositivo de control electromecánico que opera mecánicamente en
forma automática, convierte la posición de elementos móviles de alguna
maquinaria o de algún otro dispositivo mecánico, en una señal de control
eléctrico. Su función principal es controlar el movimiento en al maquinaria o
equipo asociado.
Beneficios: gran
durabilidad, gran capacidad de repetición de ciclos de operación, gran
resistencia a las vibraciones mecánicas, gran variedad de palancas de
operación, fácil de seleccionar y aplicar. El interruptor de límite es ideal
para aquellas aplicaciones en las que se requiera: contactos con capacidad para
servicio extra pesado, elevado numero de operaciones y elevada fuerza de
restablecimiento.
3.2 Principio de
transducción
Los términos
“sensor” y “transductor” se suelen aceptar como sinónimos, aunque si hubiera
que hacer alguna distinción, el termino transductor es quizás mas amplio,
incluyendo una parte sensible o captador propiamente dicho y algún tipo de
acondicionamiento de la señal detectada. Si nos centramos en los estudios de
los transductores cuya salida es una señal eléctrica, podemos dar la siguiente
definición:
“un transductor es
un dispositivo capaz de convertir el valor de una magnitud física en una señal
eléctrica codificada, ya sea en forma analógica o digital”.
No todos los
transductores tienen que dar una salida en forma de una señal eléctrica. Como
ejemplo puede valer el caso de un termómetro basado en la diferencia de
dilatación de una lamina bimetálica, donde la temperatura se convierte
directamente en un desplazamiento de una aguja indicadora.
Sin embargo el
termino transductor suele asociarse bastante a dispositivos cuya salida es
alguna magnitud eléctrica o magnética.
Los transductores
basados fenómenos eléctricos o magnéticos, estos suelen tener una estructura
general como la que muestra la figura 7.1, en la cual podemos distinguir las
siguientes partes:
·
Elemento sensor o captador. Convierte las variaciones de una magnitud
física en variaciones de una magnitud eléctrica o magnética, que denominaremos
habitualmente señal.
·
Bloque de tratamiento de señal. Si existe, suele
filtrar, amplificar, linealizar y, en general, modificar la señal obtenida en
el captador, por regla general utilizando circuitos electrónicos.
·
Etapa de salida. Esta etapa comprende lo amplificadores,
interruptores, conversores de código, transmisores y, en general, todas
aquellas partes que adaptan la señal a las necesidades de la carga exterior.
·
CLASIFICACIÓN
SEGÚN EL TIPO DE SEÑAL DE SALIDA
1. Analógicos.
Aquellos que dan como salida un valor de tensión o corriente variable en forma
continua dentro del campo de medida. Es frecuente para este tipo de
transductores que incluyan una etapa de salida para suministrar señales
normalizadas de 0-10 V o 4-20 mA.
2. Digitales.
Son aquellos que dan como salida una señal codificada en binario, BCD u otro
sistema cualquiera.
3. Todo-nada.
Indican únicamente cuando la variable detectada rebasa un cierto umbral o
limite. Pueden considerarse como un caso limite de los sensores digitales en el
que se codifican solo dos estados.
Otro criterio de clasificación, relacionado con al
señal de salida, es el hecho de que el captador propiamente dicho requiera o no
una alimentación externa para su funcionamiento. En el primer caso se denominan
sensores pasivos y en el segundo caso activo o directo.
Los sensores pasivos se basan, en la modificación de
la impedancia eléctrica o magnética de un material bajo determinadas
condiciones físicas o químicas (resistencia, capacitancia, inductancia,
reluctancia, etc.)
Los sensores activos son, en realidad generadores
eléctricos, generalmente de pequeña señal. Por
ello no necesitan alimentación exterior para funcionar.
·
CARACTERÍSTICAS
GENERALES DE LOS SENSORES
Dichas características pueden agruparse en 2 grandes
bloques:
1. Características
estáticas. Que describen la actuación del sensor en régimen permanente o con
cambios muy lentos de la variable a medir.
2. Características
dinámicas. Que describen la actuación del sensor en régimen transitorio, a base
de dar su respuesta temporal ante determinados estímulos estándar o a base de
identificar el comportamiento del transductor con sistemas estándar.
Ø CARACTERÍSTICAS ESTATICAS
-
Campo
de medida: El campo de medida, es el rango de valores
de la magnitud de entrada comprendido entre el máximo y el mínimo detectables
por un sensor, con una tolerancia de error aceptable.
-
Resolución: indica la
capacidad del sensor para discernir
entre valores muy próximos de la
variable de entrada.
-
Precisión:
La presión define la máxima desviación entre la salida real obtenida de un
sensor en determinadas condiciones de entorno
y el valor teórico de dicha salida que correspondería, en identidades
condiciones, según el modelo ideal especificado como patrón.
-
Repetibilidad:
Características que indican la máxima desviación entre valores de salida
obtenidos al medir varias veces un mismo valor de entrada con el mismo sensor y
en idénticas condiciones ambientales.
-
Linealidad:
Se dice que un transductor es lineal, si existe una constante de
proporcionalidad única que relaciona los incrementos de señal de salida con los
correspondientes incrementos de señal de entrada, en todo el campo de medida.
-
Sensibilidad:
Características que indican la mayor o menor variación de salida por unidad de
la magnitud de entrada.
-
Ruido:
Se entiende por ruido cualquier perturbación aleatoria del propio
transductor o del sistema de medida que
produce una desviación de salida con respecto al valor teórico.
-
Histéresis:
Se dice que un transductor presenta histéresis cuando, a igualdad de la
magnitud de entrada, la salida depende de si dicha entrada se alcanzo con
aumentos en sentido creciente o en sentido decreciente.
Ø CARACTERISTICAS DINAMICAS
-
Velocidad
de respuesta: La velocidad de respuesta mide la capacidad
de un transductor para que la señal de salida siga sin retraso las variaciones
de la señal de la entrada. Los parámetros mas relevantes empleados en la
definición de la velocidad de respuesta son los siguientes:
· Tiempo de retardo.
· Tiempo
de subida.
· Tiempo
de establecimiento al 99%.
· Constante
de tiempo.
-
Respuesta
frecuencial: Relación entre la sensibilidad y la
frecuencia cuando la entrada es una excitación senoidal.
-
Estabilidad
y derivas: Características que indican la desviación de
salida del sensor al variar ciertos parámetros exteriores distintos del que se
pretende medir, tales como condiciones ambientales, alimentación, u otras
perturbaciones.
3.2
SENSORES DE PRESIÒN
Los transductores de presión suelen estar basados en
la deformación de un elemento elástico (membrana, tubo de bourdon, etc.), cuyo
movimiento bajo la acción del fluido es detectado por un transductor de
pequeñas desplazamientos (galgas,
transformador diferencial, elemento piezoeléctrico, etc.), del que se obtiene
una señal eléctrica proporcional a al presión.
Los transductores de presión mas frecuentes son los de
diafragma o membrana. El diafragma consiste en una pared delgada que se deforma
bajo el efecto de presión.
Los transductores de presión pueden efectuar 2 tipos de medidas:
1. Presión
absoluta, o medida respecto al vacio.
2. Presión
diferencial, o relativa, midiendo la diferencia de presión entre 2 puntas.
La figura muestra el esquema de principio de un
transductor de presión diferencial P2- P1 basado en el
cambio que experimenta la inductancia de un par de bobinas cuando se deforma el
diafragma. Los devanados están colocados a un circuito tipo puente de forma que
los efectos de ambas se suman entre si, resultando una tensión alterna
proporcional a la diferencia de presiones aplicada.
3.4
SENSORES DE FLUJO
Los sensores de flujo se basan en distintos principios
según se trate de fluidos comprensibles o no (gases o líquidos). Cabe recordar
que el caudal puede definirse como masa por unidad de tiempo (Qm) o
como volumen por unidad de tiempo (Qv) de un fluido que atraviesa
una sección de cierto conducto.
Los sensores de caudal suelen estar basados en alguno
de los siguientes principios:
-
Detección por presión
estática (efecto venturi).
-
Detección por presión
dinámica sobre un flotador o pistón.
-
Detección de velocidad por
inducción electromagnética.
-
Detección volumétrica
mediante turbina.
La mayoría de los transductores miden caudal
volumétrico. En el caso de fluidos no comprensibles, la forma habitual de
medición consiste en hallar la velocidad de paso por una sección conocida.
·
Medidores
por efecto venturi
El efecto Venturi consiste en la aparición de una
diferencia de presión entre 2 puntos de una misma tubería con distinta sección
y, por lo tanto, diferente velocidad e paso del fluido. Para fluidos no
comprensibles dicha diferencia de presión depende de la relación de diámetros,
de caudal y de la densidad, y, por lo tanto, de la temperatura.
·
Medidores
por presión dinámica
Estos transductores se basan en el desplazamiento de
un pequeño pistón o flotador sometido a la presión dinámica de la corriente de
fluido. Dicha presión equilibra el peso del cuerpo y provoca un desplazamiento
del pistón proporcional a la velocidad del fluido.
Como variante de estos se pueden considerar los de
turbina, donde la presión dinámica hace girar un rodete. La velocidad de giro
de una turbina intercalada en la tubería es proporcional al caudal en el caso
de fluidos incompresibles.
·
Medidores
por velocidad y por inducción
Este tipo de transductores se basan en la ley Faraday,
según la cual, sobre un conductor se desplaza transversalmente a un campo
magnético se genera una f.e.m. proporcional
a la longitud del conductor, a su velocidad de desplazamiento y a la
inducción del campo.
La f.e.m obtenida es proporcional al campo inductor, a
la distancia entre electrodos de captación y a la velocidad del fluido. El
método de medida tiene la ventaja de no entorpecer el flujo y, por lo tanto, no
hay pérdidas de carga ni partes en movimiento. Por otro lado es apto para
líquidos corrosivos o muy viscosos.
·
Medidores
volumétricos
Para medir caudal de gases se suelen emplear métodos
de medición volumétricos intentando mantener presión y temperatura constantes.
Como ejemplos mas típicos de este tipo de transductores se tiene los discos de
oscilante y los de lóbulos.
3.5 SENSORES DE
TEMPERATURA
La temperatura es otro de los parámetros que muchas
veces debe controlarse en procesos industriales. Atendiendo al principio de
funcionamiento de la mayoría de sensores industriales, podemos distinguir 3
grandes grupos de sensores térmicos:
1. Termostatos
todo-nada: Interruptores que conmutan a un cierto valor de temperatura, en
general con una cierta histéresis.
2. Termorresistencias:
Sensores pasivos de tipo analógico basados en el cambio de resistividad
eléctrica de algunos metales o semiconductores con la temperatura.
3. Pirómetros
de radiación: Sensores de tipo analógico, utilizables en general para altas
temperaturas, que están basados en la radiación térmica emitida por los cuerpos
calientes.
·
Termostatos
Los termostatos son sensores con salida de tipo todo o
nada que conmuta a un cierto valor de temperatura. Los más simples están
basados generalmente en la diferencia de dilatación de 2 metales y los más sofisticados se suelen construir a
base de un sensor de tipo analógico y uno o varios comparadores con histéresis.
Los de tipos bimetálicos se utilizan típicamente en
sistemas de climatización y en algunas aplicaciones industriales como
interruptores de protección (falta de ventilación, etc.).
·
Termopares
La fuerza electromotriz generada depende de la
diferencia de temperaturas entre la unión fría y la unión caliente:
·
Termorresistencias
Los conductores eléctricos presentan, en general, un
aumento de resistencia con la temperatura, según una ley que pueda expresarse
en forma simplificada por la siguiente ecuación:
Donde α se denomina coeficiente térmico de resistencia.
-
Termorresistencias
PTCY NTC: Las sondas PTC y NTC son esencialmente
termorresistibles a base de semiconductor. Estos suelen presentar coeficientes
de sensibilidad bastante mayores que en el caso de metales, pero a costa de una
gran perdida de linealidad.
Los PTC (positive temperatura coefficient) son
resistencias construidas a base de óxidos de bario y titanio, que muestran
cambios bruscos de valor a partir de una cierta temperatura. En la figura 7.30
se muestra la característica resistencia/temperatura a distintas frecuencias
para una sonda PTC.
Las NTC son resistencias con un coeficiente de
temperatura negativo (Negative Temperature Coefficient), construidas a base de
óxidos de hierro, cromo, cobalto, manganeso y níquel dopados con iones de
titanio o litio. El comportamiento frente a las variaciones de temperatura
pueden expresarse, aproximadamente, por la siguiente ecuación:
Donde A Y B, son constantes que dependen de la NTC y T
es la temperatura en grados Kelvin.
·
Pirómetros
de radiación
La medida de temperaturas con termopar o
termorresistencia implica el contacto directo entre el transductor y el cuerpo
cuya temperatura se desea medir. Sin embargo, este contacto resulta imposible
si la temperatura a medir es superior al punto de fusión del material del
transductor, o si el cuerpo caliente es muy pequeño y cambia su temperatura al
efectuar la medida. En estos casos puede utilizarse los pirómetros de
radiación, que miden la temperatura a partir de la radiación térmica que emiten
los cuerpos calientes.
La radiación emitida puede medirse en su totalidad, o
solo en una banda de frecuencias, resultando así 2 tipos de pirómetros:
-
De banda ancha, o de
radiación total
-
De banda estrecha, o de
brillo.
Los primeros están construidos a base de una cámara
negra, que recibe la radiación a través de una nueva ventana de superficie
conocida. Los pirómetros de brillo miden unicament6e la radiación emitida en
una longitud de onda específica a través de fotocélulas.
3.6 SENSORES DE
NIVEL
Los transductores de nivel se utilizan para conocer el
estado de llenado de depósitos de líquidos o sólidos en forma de polvo o
granulados. Podemos distinguir 2 tipos de detección de
niveles:
-
Detección de varios niveles
de referencia mediante un número discreto de transductores todo o nada.
-
Detección de tipo analógico.
Obteniendo una señal proporcional al nivel.
Cabe señalar que la detección de nivel de sólidos es
poco frecuente, siendo más habitual su pesaje.
·
Transductores
todo o nada
La detección de niveles de referencia mediante
dispositivo todo o nada puede basarse en diferentes principios, dependiendo,
sobre todo, de si se trata de líquidos o de sólidos.
Para líquidos es frecuente emplear flotadores con un
contacto de mercurio o, si el liquido es conductor, su nivel puede medirse por
contacto entre dos electrodos sumergidos en el.
Para el caso de sólidos o líquidos no conductores
suelen emplearse métodos fotoeléctricos o detectores de proximidad capacitivos.
·
Transductores
por presión
Una de las formas de obtener una indicación analógica
de nivel de líquidos consiste en medir la presión sobre el fondo del depósito
que los contiene. La diferencia de presiones entre el fondo y la superficie (Pf
- Ps), es directamente proporcional al nivel (h) respecto a
dicho fondo y al peso específico (ρ) del líquido:
En tanques abiertos el nivel es aproximadamente
proporcional a la presión absoluta, ya que los cambios de presión atmosféricas
suelen tener poca importancia, sobre todo si se trata de líquidos densos.
·
Transductores
por flotador
El método más fiel para detectar el nivel de líquidos
consiste en el empleo de un flotador solidario a un sistema de palancas y unido
a un sensor de distancia o desplazamiento. La figura 7.41 muestra unos esquemas
de principio para recipientes abiertos y cerrados.
·
Transductores
ultrasónicos
Los detectores por ultrasónicos se basan, en realidad,
en la medición de la distancia desde el fondo a la superficie o desde el punto
máximo a la superficie.
El transductor emite un impulso de presión
(ultrasonidos) que es reflejado por la superficie del material y recogido por
un receptor colocado a lado del emisor.
Este tipo de detector es apto también para detectar
nivel de sólidos.
3.7 SENSORES DE PESO, VELOCIDAD,
CONDUCTIVIDAD, PH, ETC.
·
Sensores
de peso
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 mecánica de
las pruebas. Los sensores utilizan una tecnología basada en la variación de la
resistencia eléctrica del área sensora. La aplicación de una fuerza al área
activa del detección del sensor se traduce en cambio en la resistencia
eléctrica del elemento sensor en función inversamente proporcional a la fuerza
aplicada.
·
Sensores
de velocidad
La detección de velocidad forma parte de un gran
número de sistemas industriales, en los que se requiere un control de la
dinámica de los mismos. Los transductores de velocidad suelen pertenecer a uno de los siguientes tipos:
1. Analógicos:
Basados en generadores de CC o dinamos tacometricas.
2. Digitales:
Basados en la detección de frecuencia de un generador de pulsos (encoder u
otros).
-
Dinamo
tacometrica
La dinamo tacometrica es, en esencia, un generador de
corriente continua con excitación a base de imanes permanentes.
-
Generadores
de impulsos
Los transductores digitales de velocidad están basados
en la detección de frecuencia de generadores de impulsos a base de captadores
ópticos o inductivos, de forma análoga a la indicada para un encoder
incremental.
La robustez, la buena adaptación a sistemas de control
digital y la buena relación coste/precisión de este tipo de sensores hacen que
actualmente sustituyan a los generadores tacométricos en muchas aplicaciones.
·
Sensores
de conductividad
Los sensores de conductividad no tienen piezas
móviles. El funcionamiento de estos sensores no se ve interrumpido ni siquiera
en líquidos conductores semisólidos como los del sector alimentario, ni en
líquidos muy densos como las aguas residuales.
·
Sensores de PH
El sistema de
pH consiste de
un electrodo de
pH y un
amplificador. El sensor de PH se mide el nivel de Acidez y Basicidad
entre valores de 0 a 14.
El sensor de pH es un gel de Ag-Cl. El electrodo ha
sido construido dentro de un tubo
de plástico en
un diámetro de
12mm, contiene una
botella de protección con
una solución buffer
estable. Cuando el
electrodo no es
usado deberá ser guardado dentro de la botella. Durante la medición se
debe limpiar la probeta entre prueba y prueba.
El electrodo es conectado al amplificador por medio de
un cable coaxial y un conector BNC. El amplificador y el adaptador proporcionan
una amplificación en un rango entre 0 y 5V.
3.8
CRITERIOS
PARA LA SELECCIÓN DE UN SENSOR
Al seleccionar un sensor para una aplicación en
particular hay que considerar varios factores:
1.- El tipo de medición que se requiere, por ejemplo,
la variable que se va a medir, su valor nominal, el rango de valores, la
exactitud, velocidad de medición y confiabilidad requeridas, las condiciones
ambientales en las que se realizará la medición.
2.- El tipo de salida que se requiere del sensor, lo
cual determinará las condiciones de acondicionamiento de la señal, a fin de
contar con señales de salida idóneas para la medición.
3.- Con base en lo anterior se puede identificar
algunos posibles sensores, teniendo en cuenta rango, exactitud, linealidad,
velocidad de respuesta, confiabilidad, facilidad de mantenimiento, duración,
requisitos de alimentación eléctrica, solidez, disponibilidad y costo.
La elección de un sensor no se puede hacer sin
considerar el tipo de salida que el sistema debe producir después de
acondicionar la señal; por ello, es necesaria una integración idónea entre
sensor y acondicionador de señal.
Como ejemplo de lo anterior, considerar la selección
de un sensor para medir el nivel de ácido corrosivo de un recipiente. Dicho
nivel varia entre 0 y 2 m y el recipiente es de forma rectangular con diámetro
de 1m. El recipiente vacio pesa 100 kg. La mínima variación en nivel que se
desea detectar es 10 cm. La densidad del ácido es 1050
. El sensor debe
producir una salida eléctrica.
BIBLIOGRAFÍA
1. Balcells
Josep, Romeral José Luis (1998). Autómatas programables, México: Editorial
Alfaomega.
2. Scribd.
Tipos de sensores, Interruptores, Relevadores. Recuperado el 11 de Noviembre del
2012, de
http://es.scribd.com/doc/35079614/Tipos-de-sensores-interruptores-motores-relevadores-y-tipos-de-mantenimiento
3.
Scribd. Interruptores de
temperatura. Recuperado el 11 de Noviembre del 2012, de http://es.scribd.com/doc/75808251/6/Interruptores-de-temperatura-Termostatos.
Tecnosim. Manual técnico de sensores. Recuperado
el 11 de noviembre del 2012, de http://www.tecnosim.com.mx/Descargas/Manuales/MANUAL%20TECNICO%20SENSORES.pdf
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