Automatismos Industriales - Sensores

Universidad San Francisco de QuitoIngeniería Eléctrica y Electrónica

Cumbayá – EcuadorAgosto-Diciembre 2013

Gamboa S.

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Conceptos BásicosSensoresConvierten señal física análoga o continua en suseñal eléctrica equivalente a través del proceso detransducción.Acondicionador de SeñalEtapa intermedia que prepara o manipula (aísla,compensa, linealiza, amplifica, filtra, corrige offset,etc.) la débil y ruidosa señal de la salida del sensor,para cumplir los requerimientos de la siguienteetapa para el correspondiente procesamiento.

SensoresConvierten señal física análoga o continua en suseñal eléctrica equivalente a través del proceso detransducción.Acondicionador de SeñalEtapa intermedia que prepara o manipula (aísla,compensa, linealiza, amplifica, filtra, corrige offset,etc.) la débil y ruidosa señal de la salida del sensor,para cumplir los requerimientos de la siguienteetapa para el correspondiente procesamiento.

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Conceptos BásicosManejador (Driver)Fortalece la señal recibida desde el acondicionadorde señal a una forma apropiada y maneja esta para latransmisión al subsistema de control.

Manejador (Driver)Fortalece la señal recibida desde el acondicionadorde señal a una forma apropiada y maneja esta para latransmisión al subsistema de control.

Overview of IndustrialProcess AutomationSharma, K. L.S.

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Tipos de Sensores (Proceso)TemperaturaPresiónNivelCaudal

TemperaturaPresiónNivelCaudal

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Sensores de TemperaturaTermocuplaRTD (Resistance Temperatura Device)

Termistor (ERN)Circuito integrado (Semiconductor)

TermocuplaRTD (Resistance Temperatura Device)

Termistor (ERN)Circuito integrado (Semiconductor)

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TermocuplaDos piezas de alambre de diferente metal soldadas en uno oambos extremos (junturas), lo que produce un pequeñovoltaje en el orden de mV (sensor activo) proporcional a ladiferencia de temperatura entre la juntura caliente(temperatura a medir) y la juntura fría (temperaturaambiental).

Dos piezas de alambre de diferente metal soldadas en uno oambos extremos (junturas), lo que produce un pequeñovoltaje en el orden de mV (sensor activo) proporcional a ladiferencia de temperatura entre la juntura caliente(temperatura a medir) y la juntura fría (temperaturaambiental).

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Termocupla El acondicionamiento debe garantizar la eliminación

de termocuplas parasitas, debido a las junturas entre latermocupla y los cables del circuito deacondicionamiento. Tener en cuenta que la polaridad y el tipo de

termocupla está codificada por colores. El color rojoindica el terminal negativo, mientras que el terminalpositivo dependerá del tipo de termocupla.

El acondicionamiento debe garantizar la eliminaciónde termocuplas parasitas, debido a las junturas entre latermocupla y los cables del circuito deacondicionamiento. Tener en cuenta que la polaridad y el tipo de

termocupla está codificada por colores. El color rojoindica el terminal negativo, mientras que el terminalpositivo dependerá del tipo de termocupla.

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Termocupla De acuerdo a los requerimientos de la aplicación, el

diseñador debe escoger el tipo de termocuplaadecuado.

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RTDEl RTD (alambre de metal específico) es un resistorde precisión cuya resistencia cambia con latemperatura, basado en la propiedad de los metalesde variar su resistencia en función la temperatura.

El RTD (alambre de metal específico) es un resistorde precisión cuya resistencia cambia con latemperatura, basado en la propiedad de los metalesde variar su resistencia en función la temperatura.

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RTD Son más exactas que las termocuplas, superandolas sobre

en aplicaciones de bajas temperaturas (-200 a 700°), peroson más costos. El incremento de la resistencia no es lineal, pero creciente y

característico de acuerdo al metal. La determinación de latemperatura se realiza a través de tablas.

Son más exactas que las termocuplas, superandolas sobreen aplicaciones de bajas temperaturas (-200 a 700°), peroson más costos. El incremento de la resistencia no es lineal, pero creciente y

característico de acuerdo al metal. La determinación de latemperatura se realiza a través de tablas.

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RTD La resistencia más común de un RTD es 100 ohms a 0°

centígrados, pero existen otros valores de acuerdo al metaldel que esta hecho el resistor. Los RTD más utilizados son los de Platino por su

comportamiento más lineal con respecto a otros metales.Estos RTDs son nombrados de acuerdo a su resistenciaprecedida por PT (Pt50, Pt100, Pt200, Pt500, etc). Existen RTDs más económicas en Cobre y Niquel, pero su

rango de lineal es menor al Platino.

La resistencia más común de un RTD es 100 ohms a 0°centígrados, pero existen otros valores de acuerdo al metaldel que esta hecho el resistor. Los RTD más utilizados son los de Platino por su

comportamiento más lineal con respecto a otros metales.Estos RTDs son nombrados de acuerdo a su resistenciaprecedida por PT (Pt50, Pt100, Pt200, Pt500, etc). Existen RTDs más económicas en Cobre y Niquel, pero su

rango de lineal es menor al Platino.

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RTDExisten 2 configuraciones de RTD: Enrollada (wire-wound). Alta sensibilidad, gran tamaño,

requiere vaina protectora. Película delgada (thin-film) en depósito de cerámica.

Tamaño reducido y no necesita vaina protectora.Las configuraciones de cableado para RTD son 3:

Existen 2 configuraciones de RTD: Enrollada (wire-wound). Alta sensibilidad, gran tamaño,

requiere vaina protectora. Película delgada (thin-film) en depósito de cerámica.

Tamaño reducido y no necesita vaina protectora.Las configuraciones de cableado para RTD son 3:

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Termistor Su funcionamiento se basa en la variación de la resistividad

que presenta un semiconductor con la temperatura. Tiene coeficiente de temperatura negativo (la resistencia

decrece frente a un incremento de temperatura) de allí quese los conoce tambien como NTC (Negative TemperatureCoefficient).

Su funcionamiento se basa en la variación de la resistividadque presenta un semiconductor con la temperatura. Tiene coeficiente de temperatura negativo (la resistencia

decrece frente a un incremento de temperatura) de allí quese los conoce tambien como NTC (Negative TemperatureCoefficient).

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Termistor Operar a un máximo de 300 ° C. Es preciso, estable y muy

sensible (comparado a RTD o Termocupla). Aplicable apequeños rangos de temperatura.

Basados en semiconductores se ha desarrollado circuitosintegrados para medir temperatura, con la ventaja de que larelación voltaje temperatura es lineal.

Operar a un máximo de 300 ° C. Es preciso, estable y muysensible (comparado a RTD o Termocupla). Aplicable apequeños rangos de temperatura.

Basados en semiconductores se ha desarrollado circuitosintegrados para medir temperatura, con la ventaja de que larelación voltaje temperatura es lineal.

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Sensores de Presión Presión absoluta y Presión relativa.

Si en lugar de la presión atmosférica es cualquier otrapresión se está midiendo presión diferencial.

Presión absoluta y Presión relativa.

Si en lugar de la presión atmosférica es cualquier otrapresión se está midiendo presión diferencial.

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ceroabsoluto

Sensores de PresiónTubo en UTubo BourdonFuelleDiafragma

Tubo en UTubo BourdonFuelleDiafragma

16

Tubo U Tubo de vidrio en forma de "U", donde se

deposita una cantidad de líquido dedensidad conocida. Sistema de medición más bien absoluto y

no depende, por lo tanto, de calibración. Desventaja principal es la longitud de

tubos necesarios para una medición depresiones altas. No es sencillo transformarlo en un sistema

de transmisión remota de presión.

Tubo de vidrio en forma de "U", donde sedeposita una cantidad de líquido dedensidad conocida. Sistema de medición más bien absoluto y

no depende, por lo tanto, de calibración. Desventaja principal es la longitud de

tubos necesarios para una medición depresiones altas. No es sencillo transformarlo en un sistema

de transmisión remota de presión.

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Tubo Bourdon Tubo de sección elíptica cerrado en un extremo que forma un

anillo casi completo. Al aumentar la presión dentro del tubo, estese deforma, y el movimiento se transmite a la aguja indicadora.

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Fuelle Es un recipiente cerrado, con lados que pueden expandirse o

contraerse como un acordeón. La posición del fuelle sin presiónpuede ser determinada por el mismo fuelle o por un resorte. Lapresión es aplicada sobre la cara del fuelle y su deformación y suposición dependen de la presión.

Es un recipiente cerrado, con lados que pueden expandirse ocontraerse como un acordeón. La posición del fuelle sin presiónpuede ser determinada por el mismo fuelle o por un resorte. Lapresión es aplicada sobre la cara del fuelle y su deformación y suposición dependen de la presión.

19

Diafragma Hace uso de la característica de deformación elástica de una

membrana o diafragma debido a la exposición a dos presionesdiferentes en cada uno de sus lados.

Una de las presiones a un lado de la membrana es conocida(Pref) y en el otro lado está la presión a medir. La deformación dela membrana es proporcional a su diferencia.

Hace uso de la característica de deformación elástica de unamembrana o diafragma debido a la exposición a dos presionesdiferentes en cada uno de sus lados.

Una de las presiones a un lado de la membrana es conocida(Pref) y en el otro lado está la presión a medir. La deformación dela membrana es proporcional a su diferencia.

20

Diafragma Para convertir esta deformación en un equivalente eléctrico se

acoplan sensores con diferentes principios como resistivo,inductivo o capacitivo.

Para convertir esta deformación en un equivalente eléctrico seacoplan sensores con diferentes principios como resistivo,inductivo o capacitivo.

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Sensores de Nivel Medición por desplazamiento Presión hidrostática Presión diferencial Conductividad Capacitancia Ultrasonido

Medición por desplazamiento Presión hidrostática Presión diferencial Conductividad Capacitancia Ultrasonido

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Switches de Nivel (Desplazamiento) Flotadores Indicadores

magnéticos Interruptores tipo

desplazador

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Presión Diferencial Se mide la presión hidrostática con un diafragma en un punto del

fondo del tanque, si el tanque es abierto esta presión esproporcional a la altura del líquido en ese punto. En el caso de untanque cerrado se mide la presión en el nivel superior del tanquepara obtener l diferencial.

Se mide la presión hidrostática con un diafragma en un punto delfondo del tanque, si el tanque es abierto esta presión esproporcional a la altura del líquido en ese punto. En el caso de untanque cerrado se mide la presión en el nivel superior del tanquepara obtener l diferencial.

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Radar de Onda Guiada El radar de onda guiada se basa

en el principio de TDR(reflectometría en el dominiodel tiempo). Los pulsos deenergía electromagnética setransmiten por la sonda. El pulsose refleja cuando alcanza uncambio de impedancia tal comola superficie del líquido. Eltiempo de transito se calcula yconvierte a nivel.

El radar de onda guiada se basaen el principio de TDR(reflectometría en el dominiodel tiempo). Los pulsos deenergía electromagnética setransmiten por la sonda. El pulsose refleja cuando alcanza uncambio de impedancia tal comola superficie del líquido. Eltiempo de transito se calcula yconvierte a nivel.

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Ultrasónico por contacto La tecnología de nivel de

contacto ultrasónico usa ondasde sonido de alta frecuenciaque son fácilmentetransmitidas a lo largo de laabertura del transductor en lapresencia de un medio líquido,pero son atenuadas cuando laabertura está seca.

La tecnología de nivel decontacto ultrasónico usa ondasde sonido de alta frecuenciaque son fácilmentetransmitidas a lo largo de laabertura del transductor en lapresencia de un medio líquido,pero son atenuadas cuando laabertura está seca.

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Ultrasónico de no Contacto Se emiten pulsos

ultrasónicos desde eltransductor y se mide eltiempo requerido para queel eco se refleje desde lasuperficie del líquido yregrese al transductor.

Se emiten pulsosultrasónicos desde eltransductor y se mide eltiempo requerido para queel eco se refleje desde lasuperficie del líquido yregrese al transductor.

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Magnetoestrictivos Un pulso de baja energía, generado

por la electrónica, viaja por lalongitud del cable magnetoestrictivo.Una señal de retorno se genera desdeel lugar preciso donde el campomagnético del flotador intercede conel cable. Un temporizador mide conprecisión el tiempo transcurridoentre la generación del pulso y elretorno de la señal acústica.

Un pulso de baja energía, generadopor la electrónica, viaja por lalongitud del cable magnetoestrictivo.Una señal de retorno se genera desdeel lugar preciso donde el campomagnético del flotador intercede conel cable. Un temporizador mide conprecisión el tiempo transcurridoentre la generación del pulso y elretorno de la señal acústica.

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Sensores CaudalPlaca orificioTurbinaElectromagnéticoUltrasónico

Placa orificioTurbinaElectromagnéticoUltrasónico

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Placa Orificio Placa perforada que se instala en la tubería, el orificio, que posee es

una abertura cilíndrica o prismática normalizada a través de la cualfluye el fluido.

El caudal se puede determinar por medio de las lecturas de presióndiferenciales. Dos tomas conectadas en la parte anterior y posteriorde la placa captan esta presión diferencial.

Placa perforada que se instala en la tubería, el orificio, que posee esuna abertura cilíndrica o prismática normalizada a través de la cualfluye el fluido.

El caudal se puede determinar por medio de las lecturas de presióndiferenciales. Dos tomas conectadas en la parte anterior y posteriorde la placa captan esta presión diferencial.

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Placa orificio

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Turbina El rotor con serie de rieles magnéticos que al girar

cierran contactos, lo que permite evaluar el caudal entérminos de la frecuencia de los pulsos generados.

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Electromagnético Basado en la ley de Faraday que establece que cuando un

conductor se mueve a través de un campo magnético genera unvoltaje inducido proporcional a la velocidad del conductor, lalongitud del mismo y al campo magnético.

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UltrasonidoSe mide el tiempo de viaje de la onda de sonido. Los dostransductores en posicion opuesta a un ángulo de 45 °. La velocidaddel sonido entre los transductores es función de la velocidad propiadel sonido más un aporte adicional función de la velocidad delfluido.

Se mide el tiempo de viaje de la onda de sonido. Los dostransductores en posicion opuesta a un ángulo de 45 °. La velocidaddel sonido entre los transductores es función de la velocidad propiadel sonido más un aporte adicional función de la velocidad delfluido.

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HOOK UP - Ejemplo Detalle gráfico con instalación típica de instrumentos, con

la finalidad de garantizar una instalación apropiada de losmismos.

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Piping & Instrumentation Drawing(P&ID ISA S5.1)*** También: Process & Instrumentation Diagram.*** ISA S5.1 Instrumentation Symbol Specification Con este diagrama se pretende mejorar el entendimiento del

proceso. Así como visualizar la interconexión de los instrumentos dentro

de dicho proceso.

*** También: Process & Instrumentation Diagram.*** ISA S5.1 Instrumentation Symbol Specification Con este diagrama se pretende mejorar el entendimiento del

proceso. Así como visualizar la interconexión de los instrumentos dentro

de dicho proceso.

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Piping & Instrumentation Drawing(P&ID ISA S5.1)

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Piping & Instrumentation Drawing(P&ID ISA S5.1)

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Interfaces EstandarInterfaces Análogas

El estandar más común es de 4-20 mA.

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Interfaces EstandarInterfaces Digitales

El estandar más común es de 24 VDC.

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