Sensores - renovablesconsaburum.files.wordpress.com · Sensores capacitivos Sensores inductivos. Sensores 17 Sensores pasivos • Osciladores. – Suministran una señal cuya frecuencia

Sensores

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Errores de medida• Errores de medida o sistemáticos

– Error sobre una señal de referencia.– Errores ligados a la calibración.– Errores debidos a las magnitudes de influencia.– Errores debidos a las condiciones de alimentación.– Errores debidos a las condiciones de uso.– Errores en el tratamiento de la señal de salida.

El desvío no puede ser calculado pero puede ser corregido o compensado

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Errores de medida• Errores accidentales e incertidumbre en la medida.

– Errores ligados a las indeterminaciones intrínsecas de las características del sensor.

– Errores debidos a señales parásitas de carácter aleatorio.– Errores debidos a magnitudes de influencia no controladas.

El desvío proviene de la variación de un parámetro no controlado, y sólo puede ser estimado.

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Errores de medida• Los errores accidentales conllevan una dispersión de los

resultados cuando las medidas se realizan en diferentes momentos.

• Con un tratamiento estadístico se puede conocer el valor más probable y los límites de la incertidumbre.

Valor medio

n

mm

n

ii∑

== 1

Dispersión

( )n

mmn

ii∑

=

−= 1

2

2σ

Probabilidad de cada resultado (ley normal)

( )( )

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡ −−

=2

2

2

21 σ

πσ

mm

emP

Probabilidad de resultados entre m1 y m2

( ) ∫=2

1

m

m21 )( dmmpmmP

%73.99)3(%45.95)2(

%27.68)(

=±=±

=±

σσσ

mPmPmP

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Errores de medida• Las cualidades esenciales de un sensor se expresan por

su fidelidad y exactitud, es decir su precisión.– Fidelidad: incertidumbres de medida pequeñas.– Exactitud: errores sistemáticos reducidos. Valor de la media muy

próximo al verdadero.– Precisión: indica la aptitud de un sensor a proporcionar un valor

de medida próximo al real. Un sensor preciso es fiel y exacto.

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Errores de medida

a) Sensor ni fiel ni exacto

b) Sensor fiel pero no exacto

c) Sensor exacto pero no fiel

d) Sensor fiel y exacto

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Errores de medida• La imprecisión de un sensor

es debida a la suma de varios errores elementales:– Error de cero.– Error sobre sensibilidad.– Error de resolución.– Error de reversibilidad.– Histéresis.– Error de calibración.– Error de repetibilidad.– Intercambiabilidad.

• La utilización continuada del sensor puede deteriorar o modificar las características:– Resistencia a la fatiga.– Duración de vida.

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Errores de medida

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Errores de medida

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Clasificación de sensores

• Según la naturaleza de la señal eléctrica de salida:– Sensores analógicos.– Sensores numéricos o

digitales.– Sensores lógicos.

• Según el origen de la señal de salida:– Activos.– Pasivos.

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Sensores activos• Funcionan como generador.• Principios básicos en los que se basan:

– Efecto termoeléctrico.– Efecto piroeléctrico.– Efecto piezoeléctrico.– Efecto de inducción electromagnética.– Efecto fotoeléctrico.– Efecto fotoemisivo.– Efecto fotovoltaico.– Efecto Hall.– Efecto Peltier.

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Sensores pasivos• Funcionan como modulador, la impedancia del sensor

es sensible a variaciones de la magnitud de medida.• La característica eléctrica sensible puede ser:

– Resistividad.– Constante dieléctrica.– Permeabilidad magnética.

• Necesitan acondicionamiento de señal.– Montaje potenciométrico o en puente.– Osciladores.

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Sensores pasivos

• Montaje potenciométrico.– Es el más simple.– Sensible a variaciones de alimentación y

perturbaciones.

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Sensores pasivos• Montaje en puente.

– Doble potenciómetro con medida de tensión diferencial.– Se reduce la sensibilidad a derivas de tensión y ruidos.– Para sensores resistivos se utiliza el puente de Wheastone.

Equilibrio:2341 si 0 ZZZZVm ⋅=⋅=

( ) ( )4231

2341

ZZZZZZZZVm +⋅+⋅−⋅

=

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Sensores pasivos• Si el sensor está alejado de las otras resistencias hay

que tener en cuenta la resistencia de los cables de conexión, pudiendo desequilibrar el puente.

Montaje a tres hilos Montaje a dos hilos de compensación

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Sensores pasivos

Puente de Nermst Puente de Sauty

Puente de Maxwell Puente de Hay

Sensores capacitivos

Sensores inductivos

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Sensores pasivos

• Osciladores.– Suministran una señal cuya frecuencia

modula la magnitud medida. Existen dos tipos fundamentalmente:

• Senoidales.• Relajación (señales cuadradas).

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Criterios de selección

• Es conveniente conocer:– Sensores disponibles en el mercado.– Características generales.– Ventajas e inconvenientes específicos.

• En la selección existen tres etapas:– Definición de especificaciones.– Selección de la tecnología.– Selección del producto.

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Criterios de selección• Definición de especificaciones.

– Naturaleza y tipo de la magnitud a medir.– Tipo de sensor buscado teniendo en cuenta la naturaleza de la

señal de salida.– Características metrológicas esenciales

• Alcance de medida.

• Precisión.

• Rapidez de respuesta.

• Condiciones de uso

Gama de temperaturas.

Sobrecargas admisibles.

Duración de vida.

Protecciones (polvo, humedad...)

• Especificaciones geométricas.

• Especificaciones económicas.

• Otras especificaciones:

Alimentación.

Consumo.

Masa...

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Criterios de selección

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Principios de medida• Medida por intervalo de tiempo.• Medida por deformación, variación de longitud o forma.• Medida por un par o una fuerza.• Medida por presión.• Medida acústica.

– Variación de frecuencia de un sistema vibrante.– Variación de velocidad de propagación de una onda acústica.– Medida del tiempo que tarda una señal en recorrer una

distancia.– Frecuencias audibles y utrasónicas.

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Principios de medida

• Medida por óptica geométrica.– Propagación rectilínea.– Rotación de haz reflejado.

• Medida por óptica ondulatoria (fenómenos de interferencia y polarización).

• Medida por ondas electromagnéticas.– Resonancia nuclear.– Corrientes de Foucault.– Difracción y absorción de rayos X...

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Principios de medida• Medida por efecto magnético.

– Efecto Wiegand.– Efecto Hall.

• Medida por efecto térmico.• Medida por efecto termodinámico.• Medida por efecto piezoeléctrico y piezorresistivo.• Medida por inducción de la fuerza contraelectromotriz.• Medida por termoelectricidad (efecto Seebeck).

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Principios de medida

• Medida por electroquímica.• Medida por fotoelectricidad.• Medida por contacto eléctrico.• Medida por potenciómetro.• Medida por extensiometría.• Medida por capacidad.

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Sensores de posición, desplazamiento y proximidad

• Muy utilizados (máquina herramienta, prensas...).• Se pueden usar para medir indirectamente otras

magnitudes físicas.• Métodos para medida de desplazamientos y

posiciones:– Señal función de la posición de una de las partes del sensor

fija al objetivo móvil.• Potenciómetros.• Inductancias de núcleo móvil.• Condensadores de armadura móvil.• Transformador de acoplo variable.

– Codificadores incrementales.

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Sensores de desplazamiento

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Detectores de posición

Característica fundamental:

Tensión y corriente máxima que pueden cortar.

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Detectores de proximidad

• No tienen unión física con el objeto a detectar.• Distancias desde 1mm a varios metros.• Aplicaciones principales:

– Control de presencia, ausencia y fin de carrera.– Detección de paso.– Posicionamiento y conteo de piezas.– Barreras de protección, sistemas antirrobo.

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Detectores de proximidad• Se utilizan sobre todo:

– Cuando la velocidad del objeto a detectar es rápida.– En entornos hostiles: polvo, aceite, humedades...– Cuando las piezas a detectar son pequeñas o frágiles.

• Según la tecnología pueden ser:– Inductivos.– Capacitivos.– Fotoeléctricos.– Ultrasónicos.– Magnéticos.– Efecto Hall.– Magnetorresistivos.

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• Inductivos.

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• Inductivos.

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• Capacitivos.

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• Fotoeléctricos.

EMISOR RECEPTOR HAZLámpara de incandescencia Fotorresistivo Visible

Diodo electroluminiscente Fotorresistivo Infrarrojo

Diodo electroluminiscente(impulsos de corriente)

Fotovoltaico Infrarrojomodulado

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• Fotoeléctricos.

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• Magnéticos.

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Sensores de proximidad

• Son sensores de desplazamiento sin unión física al objeto en movimiento.

• Ventajas:– Banda pasante ancha.– Finura elevada.– Gran fiabilidad (sin desgaste ni histéresis).– Aislamiento galvánico.

• Inconvenientes:– Alcance de medida pequeño (algunos mm).– Funcionamiento no lineal.– Respuesta dependiente del entorno y del objeto.

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Sensores de proximidad

• Tecnologías empleadas:– Inductivos.– De reluctancia variable.– De corrientes de Foucault.– De efecto Hall.– Magneto-resistivos.

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Sensores analógicos de desplazamiento

• Las variaciones en su señal de salida reflejan el desplazamiento del objeto móvil.

• El objeto está unido físicamente a una parte del sensor.• La información puede ser de desplazamiento lineal o de

rotación.• Utilización:

– Servosistemas.– Medida y control.– Mediciones de otras magnitudes físicas (fuerza, par,

deformación, velocidad, aceleración...)

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Sensores analógicos de desplazamiento

• Tecnologías.

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• De inductancia variable.– El elemento móvil es un núcleo ferromagnético cuyo

desplazamiento modifica el coeficiente de autoinducción de una bobina.

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• De inductancia variable.– Se puede mejorar la linealidad de la respuesta con la

asociación en oposición de dos bobinas cuyos coeficientes varían en sentido contrario para un mismo desplazamiento.

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• Transformador diferencial (LVDT).

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• Transformador diferencial (LVDT).– Ventajas:

• Fiabilidad y robustez.• Manejabilidad y ligereza.• Aislamiento galvánico entre primario y secundarios.• Separación física total entre el equipo móvil y el

transformador, permitiendo su uso en condiciones ambientales agresivas.

• Excelente resolución (del orden de 0.1 μm).• Ausencia de histéresis, excelente repetibilidad.• Costo y consumo pequeños (mW).• Integración de funciones en el sensor.

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• Sincro.( )

( ) ( )( ) ( )( ) ( )Φ−−⋅⋅=

Φ−+⋅⋅=Φ−⋅⋅=

=

tEkEtEkE

tEkE

tEV

tS

tS

tS

r

ωαωωαω

ωαω

ω

cos120coscos120cos

coscos

cos

3

2

1

(rad/seg).rotor deltensión Pulsación rotor. tensión máximoValor

(idem). ecundarioprimario/sRelación ntos.arrollamie los de depende propio. Desfase

S2. ntoarrollamierotor Angulo

====Φ=

ω

α

Ek

t

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• Sincro detector.

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• Resólver.

Resólver transmisor. Sincrodetector de dos resólvers.

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• Capacitivos.

TIPO DECONDENSADOR

MODO DEDESPLAZAMIENTODE LA ARMADURA

SUPERFICIESUPERPUESTA

DESVIO ENTREARMADURAS

DESPLAZAMIENTOMEDIDO

En su plano Variable Constante AngularPlano

Perp. a su plano Constante Variable Rectilíneo

Cilíndrico Paralelo al eje Variable Constante Rectilíneo

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Sensores digitales de desplazamiento

• Señal de salida númerica.• Tecnologías:

– Codificadores ópticos: incrementales y absolutos.– Codificadores sincro-máquinas.– Codificadores a contacto.

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• Codificadores ópticos.– Partes de las que se componen:

• Emisor de luz (infrarroja) o diodos electroluminiscentes (LED).• Elementos de codificación: Regla o disco con zonas transparentes

y opacas.• Receptor de luz: Fotodiodos o fototransistores.

– Resolución finita (salida numérica).– Dificultad en realizar alineamiento entre fuente y receptor.– Sensibles a choques, vibraciones y temperatura.– Precio relativamente elevado.

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• Codificadores ópticos incrementales.

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• Codificadores ópticos incrementales.

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• Codificadores ópticos absolutos.

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• Selección.

MEDIDA DE UN DESPLAZAMIENTO

SEÑAL DE SALIDASin unión física Con unión física

LógicaAnalógicaDigital

Detector de proximidadSensor de proximidad-----

Detector de posiciónSensor de desplazamientoCodificador de desplazamiento

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• Selección de un detector de posición.

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• Selección de un detector de proximidad.

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• Selección de un sensor digital de desplazamiento.

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• Selección de un sensor analógico de desplazamiento.

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Sensores de velocidad

• Clasificación según:– Tipo de desplazamiento del objeto: rectilíneos y

angulares.– Tipo de señal de salida: analógicos y digitales.– Tipo de recorrido para los lineales:

• Ilimitado. Sin unión mecánica con el objeto.• Limitado. Con unión mecánica con el objeto.

– Posición del sensor respecto al objeto:• Exterior. Tacómetros y tacodinamos.• Interior para los girómetros.

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• Velocidad lineal.– Recorridos limitados:

• Tacómetro lineal de hilo.• Tacómetro lineal electromagnético.

– Recorridos ilimitados:• Tacómetros lineales de ultrasonidos.• Tacómetros lineales de ondas luminosas (láser).• Tacómetros lineales de hiperfrecuencias (radar).

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• Velocidad angular.– El cuerpo de prueba es un disco solidario con el eje cuya

velocidad se quiere medir, en el disco hay referencias dispuestas periódicamente.

– Tecnologías utilizadas:• Detección inductiva por reluctancia variable.• Detección inductiva por corrientes de Foucault.• Detección por efecto Hall.• Detección capacitiva.• Detección magnetorresistiva.• Detección fotoeléctrica.

– Tacodinamos analógicas de corriente continua y alterna.

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• Selección de un sensor de velocidad lineal.

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• Selección de un sensor de velocidad angular.

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Sensores de aceleración• Los sensores de aceleración, vibraciones y choques se

usan principalmente para vigilancia de máquinas rotativas.

• Se basan en la medida de una fuerza o un desplazamiento.– Fuerza:

• Piezoeléctricos.• Piezorresistivos.• Servocontrolados.

– Desplazamiento:• Potenciométricos.• Inductivos.

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Sensores de aceleración

• Clasificación de acelerómetros según el fenómeno analizado

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• Acelerómetros piezoeléctricos

•Sin pieza móvil (sin desgaste).

•No necesita fuente de alimentación.

•Necesidad de un amplificador de carga.

•Aceleraciones constantes o bajas frecuencias no se pueden medir.

•Medidas entre 0ºK y 800ºC.

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• Acelerómetros piezorresistivos.

•Se pueden medir aceleraciones constantes.

•Sin pieza móvil (sin desgaste).

•Gran sensibilidad.

•Sensibilidad despreciable a deformaciones de base y transitorios de temperatura.

•Acondicionamiento de señal clásico.

•Sensibilidad variable.

•Frecuencia de resonancia de 200 KHz.

•Temperatura limitada a 120ºC.

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• Otros acelerómetros.– Servocontrolados.– De potenciómetro.– Inductivos.

Sensor de aceleración piezoeléctrico

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• Comparación de características metrológicas.

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• Selección de un acelerómetro

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Sensores de temperatura

• Reglas para la selección de un sensor de contacto.

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• Dispositivos que permiten la evaluación de la temperatura.

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• Termopares.

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• Termopares.

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• Termopares. Medida de la tensión de Seebeck.

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• Termopares. Utilización de hielo para obtener 0ºC en la referencia.

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• Termopares. Medida de tensión Seebeck con un termopar J

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• Termopares. Empleo de un bloque isotérmico.

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• Termopares. Supresión del vaso con hielo.

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• Termopares. Ley de los metales intermedios.

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• Termopares. Compensación hardware.

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• Termopares.

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• De resistencia metálica.

Materiales para medir muy bajas temperaturas

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• Pirómetros ópticos.

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• Preselección.

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• Gama de temperaturas de diversos sensores

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• Selección.

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Sensores y detectores de nivel

• Clasificación.– Tipo de instalación.

• En cuba o depósito (abierto o cerrado bajo presión).• Exterior: Lagos, canales, pozos...

– Naturaleza del producto medido.• Fluido (líquido).• Sólido (granulado, polvo).

– Tipo de señal de salida.• Analógicos (sensores de nivel).• Lógico (detectores de nivel).

– Modo de unión.• Con contacto.• Sin contacto.

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• Tecnologías empleadas.– Métodos hidrostáticos.

• Dispositivos de flotador.• Dispositivos de inmersión.• Dispositivos de palpador electromecánico.• Dispositivos manométricos.

– Métodos eléctricos.– Métodos caloríficos.– Métodos basados en la radiación.

• Radiación gamma.• Ultrasonidos.• Ópticos.• Hiperfrecuencias.

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• Preselección.

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• Selección del método de medida.

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• Características de algunos sensores.

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Sensores de presión

PRESIÓNCRECIENTE

PRESIÓNATMOSFÉRICA

VACÍOABSOLUTO

PRESIÓNRELATIVAPOSITIVA

PRESIÓN RELATIVANEGATIVA (VACÍO)

PRESIÓNDIFERENCIAL

PRESIÓNABSOLUTA

Diferentes medidas de presión

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Presión dinámica en líneas de inyección de motores dieselPresión máxima en cilindros de motores dieselPresión máxima en cilindros de motores de gasolinaSistemas de pintura industrial por "spray"Golpes de agua en sistemas de extinción de incendiosAutomóviles: inyección de fuel, refrigeraciónAutomóviles: transmisión hidráulicaAceite de lubrificación en motores y generadores dieselAceite de lubrificación en turbinas y generadores hidráulicosMonitorizado del nivel del agua en tanques y depósitosPresión atmosférica a nivel del marBombas de mantenimiento de nivel, estaciones de depuraciónCrecimiento de cristales de silicioPresión barométrica a 18.000 metros de altitudReacciones tipo plasma CVD (fabricación de semiconductores)Deposición de silicio dopado (fabricación de semiconductores)Establecimiento de geometría (fabricación de semiconductores)Pasivación óxidos de silicio (fabricación de semiconductores)Mínima presión de vacío que se puede medir actualmente

10.0004.0001.2001.00080010090705030

14,6961041

0,50,01

0,00020,00005

0,0000002

Presión, psi Proceso

(1 psi = 1 Lb/in2 = 0,068946 bares; 1 bar = 14,504 psi)

Presiones en procesos industriales

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• Cuerpos de prueba.

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• Algunos tipos de sensores

Resistivo. Piezoeléctrico. Inductivo.

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Sensores de fuerza


Sensores 101

Sensores de par


Sensores 102

Sensores de presión, fuerza, peso y par

• Métodos de transducción.

Sensores 103


• Selección. Materiales existentes.

Sensores 104


• Elección del modo de transducción (1).

Sensores 105


• Elección del modo de transducción (y 2).

Sensores 106


• Comparación de características de sensores resistivos.

Sensores 107


• Elección del cuerpo de prueba.

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• Gama de presiones de manómetros.

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Sensores y detectores de caudal

• Clasificación (1).– Tipo de instalación.

• Canalización cilíndrica para líquidos y gases.• Canales abiertos para líquidos.• En atmósfera (velocidad del aire).

– Naturaleza del elemento transportado.• Fluido (líquido, gas)• Sólido (granos, polvo...).

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• Clasificación (2).– Señal de salida eléctrica.

• Analógicos. Sensores de caudal.• Numéricos (tren de impulsos). Contadores de caudal.• Lógicos. Detectores de flujo.

– Magnitud a medir.• Caudal volumétrico.• Caudal másico.• Velocidad de circulación del fluido.• Presión diferencial.

Sensores 111

Sensores de caudal.

• Caudalímetros mecánicos.– Caudalímetros de flotador rotativo.– Contadores volumétricos.

• De paletas.• De pistones.• De ruedas ovales.

– Contadores de velocidad. De turbina (o hélice).– Controladores de circulación.

• De flotador rotativo.• De núcleo sumergido.• De compuerta.

Sensores 112

Sensores de caudal

• Caudalímetros estáticos.– Caudalímetros de órgano deprimógeno.– Caudalímetros de sonda.– Caudalímetros electromagnéticos.– Caudalímetros de ultrasonidos.– Caudalímetros de efecto Vortex.– Caudalímetros térmicos.

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Sensores de caudal

• Contador volumétrico de ruedas ovales.

Sensores 114

Sensores de caudal

• Contador de velocidad de turbina axial.

Sensores 115

Sensores de caudal

• Contador de velocidad de turbina vertical (entrada única).

Sensores 116

Sensores de caudal

• Contador de velocidad de turbina vertical (entrada múltiple).

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• Controlador de circulación de compuerta.

Sensores 118

Sensores de caudal

• Caudalímetros de órgano deprimógeno.

Sensores 119

Sensores de caudal

• Caudalímetro de sonda.

Sensores 120

Sensores de caudal

• Caudalímetro electromagnético.

Sensores 121

Sensores de caudal

• Caudalímetros de ultrasonidos.

De efecto de paso De efecto Doppler

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Sensores de caudal

• Preselección.

Sensores 123

Sensores de caudal

Sensores 124

Sensores de caudal

Sensores 125

Sensores de caudal

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