Sensores y Traductores. ESP

7/26/2019 Sensores y Traductores. ESP

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Sensores y transductores

Tabla de tecnología 4.2 Sensores

Sensores de proximidad inductivos

Sensores de proximidad inductivos están disponibles en una variedad detamaños y configuraciones para satisfacer diferentes aplicaciones. El sensor

incorpora una bobina electromagnética que se usa para detectar la presenciade un objeto de metal conductor. El sensor no hará caso de la presencia de un

objeto si no es metal.

Figura 4.22 sensor de proximidad inductivo

Este tipo de sensor se compone de cuatro elementos: la bobina osciladorcircuito de disparo y una salida. El oscilador es un circuito sintoni!ado

capacitivo inductivo que crea una frecuencia de radio. El campoelectromagnético producido por el oscilador se emite desde la bobina lejos de

la cara del sensor. El circuito tiene suficiente retroalimentaci"n del campo para mantener el oscilador de marcha.



Figura 4.23 funcionamiento del sensor inductivo

#uando entra en un blanco metálico el campo las corrientes de $oucault

circulan dentro de la meta. Esto provoca una cargar en el sensor ladisminuci"n de la amplitud del campo electromagnético. #omo el objetivo

Se acerca al sensor el aumento corrientes de $oucault que está aumentando lacarga en el oscilador y disminuir a%n más la amplitud del campo. El circuito

de disparo controla el oscilador de amplitud y en un nivel predeterminado seconmuta el estado de salida del sensor de su normal estado &encendido o

apagado'. ( medida que el objetivo se mueve lejos del sensor la amplitud deloscilador aumenta.

( un nivel predeterminado el disparador conmuta el estado de salida del

sensor de nuevo a

Sensores y transductores

Su condici"n normal &encendido o apagado'. )os rangos básicos de voltaje deoperaci"n son de *+ a ,+ -# */ a ,0 -# y *+ a 1/ -#. )a distancia de

detecci"n nominal &S norte' Se vari" de +1 mm a 2/ mm dependiendo deltipo de sensor.

Sensores de proximidad capacitivos

Sensores de proximidad capacitivos son similares a los sensores de proximidad inductivos. )a principal diferencia entre los dos tipos es que lossensores de proximidad capacitivos producen un campo electrostático

En lugar de un campo electromagnético. 3nterruptores de proximidadcapacitivos detectarán metal as4 como materiales no metálicos tales como

papel vidrio l4quidos y el paño.



Figura 4.24 sensor de proximidad capacitivo

)a superficie de detecci"n de un sensor capacitivo está formado por dos demetal en forma concéntrica electrodos de un condensador de

desenrollado. #uando un objeto se acerca a la superficie de detecci"n queentra en el campo electrostático de los electrodos y cambia la capacitancia en

un circuito oscilador. #omo un En consecuencia el oscilador comien!aoscilante. El circuito de disparo lee la amplitud del oscilador y cuando alcan!a

un nivel espec4fico el estado de salida de los cambios del sensor. #omo elobjetivo se mueve lejos del sensor de amplitud del oscilador disminuye el

cambio de la salida del sensor de nuevo a su estado original.

Figura 4.25 funcionamiento del sensor capacitivo)os rangos básicos de voltaje de operaci"n son de *+ a ,+ -# y *+ a 1/-#. la puntuaci"n la distancia de detecci"n &S norte' Se vari" de / mm a 5+

mm dependiendo del tipo de sensor.

Sensores de proximidad ultrasónicos

Sensores de proximidad ultras"nicos utili!an un transductor para enviar y

recibir sonido de alta frecuencia señales. #uando un objetivo entra en el ha! elsonido se refleja de vuelta al conmutador haciendo que se energi!ar o

desenergi!ar el circuito de salida. 6n disco cerámico pie!oeléctrico está

montado en la superficie del sensor. Se puede transmitir y recibir impulsos dealta frecuencia. 6na tensi"n de alta frecuencia es aplicada al disco haciendo



que vibre a la misma frecuencia. El disco de vibraci"n produce las ondas

sonoras de alta frecuencia. #uando los impulsos transmitidos golpean unobjeto que reflejen el sonido ecos son producidos. )a duraci"n del pulso

reflejado se eval%a en el transductor. #uando el objetivo entra en el rango defuncionamiento predeterminado la salida del conmutador cambia el

estado. #uando el objetivo sale del rango de funcionamiento predeterminadola salida vuelve a su estado original.

Figura 4.2 Sensor ultrasónico

El eco puede estar en micro7voltios. Existe una !ona ciega directamente en

frente del sensor. ependiente en el sensor de la !ona ciega es de 1 a 8+cm. 6n objeto colocado en la !ona ciega producir una salida inestable.

Figura 4.2! Sensor ultrasónico "ciclo de pulso#

El intervalo de tiempo entre la señal transmitida y el eco es directamente

proporcional a la distancia entre el objeto y el sensor. El rango defuncionamiento se puede ajustar en términos de su anchura y la posici"n

dentro del rango de detecci"n. El l4mite superior se puede regular en todos lossensores.

El l4mite inferior se puede ajustar s"lo con ciertas versiones. 9bjetos más alládel l4mite superior hacen no producir un cambio en la salida del sensor. Esto

se conoce como supresi"n de la fondo. En algunos sensores también existeuna gama de bloqueo. Esto es entre el l4mite inferior y la !ona ciega. 6n

objeto en el intervalo de bloqueo impide la identificaci"n de un objetivo en elrango de operaci"n. ;ay una salida de señal asignada al tanto del rango de

operaci"n y la salida distancia.



Figura 4.2$ rangos sensor ultrasónico

El diagrama de radiaci"n de un sensor de ultrasonidos consiste en un cono

principal y varios vecinos conos. El ángulo aproximado del cono principal esde / <. =iempo de viaje de sonido puede verse afectada por propiedades f4sicas

del aire. Esto a su ve! puede afectar a la distancia de funcionamiento predeterminado del sensor. ependiendo del sensor del rango de detecci"n es

grabar 1 7 ,+ cm o 5+ 7 *,+ cm o 0+ 7 ,++ cm o 1+ 7 1++ cm o 8+ *+++cm.

Sensor fotoel%ctrico

6n sensor fotoeléctrico es otro tipo de dispositivo de detecci"n de posici"n.

Sensores fotoeléctricos similares a las que se muestran a continuaci"nutili!ar un ha! de lu! modulada que es roto o reflejada por el objetivo. )a

tensi"n nominal de funcionamiento es de *+ a ,+ -#.

Figura 4.2& sensor fotoel%ctrico

El control consiste en un emisor &fuente de lu!' un receptor para detectar lalu! emitida y electr"nica asociada que eval%an y amplifican la señal detectadacausando la fotoeléctrica interruptor de salida cambie de estado. =odosestamos familiari!ados con la simple aplicaci"n de un sensor fotoeléctrico

colocado en la entrada de una tienda para alertar a la presencia de uncliente. Esta por supuesto es s"lo una aplicaci"n posible.



Figura 4.3' aplicación del sensor fotoel%ctrico

)u! modulada incrementa el rango de detecci"n al tiempo que reduce el efecto

de la lu! ambiental. )u! modulada es pulsado a una frecuencia espec4fica

entre / y ,+ >;!. el fotoeléctrica sensor es capa! de distinguir la lu!modulada de la lu! ambiente. )as fuentes de lu! utili!adas por estos sensoresse extienden en el espectro de lu! visible desde el verde hasta el infrarrojo

invisible.)igero7 diodo &)E' que emiten las fuentes se utili!an normalmente.

T%cnicas de an(lisis

6na técnica de análisis es un método utili!ado por los sensores fotoeléctricos para detectar un objeto &destino'. En parte la mejor técnica a utili!ar depende

del destino. (lgunos objetivos son opacos y otros están altamente reflectantes.En algunos casos es necesario para detectar un cambio en el color. )a

distancia de barrido es también un factor en la selecci"n de una técnica deexploraci"n.(lgunas técnicas funcionan bien a distancias mayores mientras que otros

funcionan mejor cuando el objetivo está más cerca del sensor.

)# dispensador de *a+ de lectura, se requieren unidades emisoras yreceptoras separadas por un sensor de ha! pasante.

)as unidades están alineadas de manera que la mayor cantidad posible de lu!

pulsada desde el transmisor llega al receptor. 6n objeto &objetivo' colocada enla trayectoria de las secuencias del ha! de lu! la lu! al receptor haciendo quela salida del receptor cambie de estado. #uando el objetivo no bloques más

largos del recorrido de lu! regresa la salida del receptor a su estadonormal. ?arrera es adecuado para la detecci"n de objetos opacos o

reflectantes. @o se puede utili!ar para detectar transparente objetos. (demásla vibraci"n puede causar problemas de alineaci"n. El elevado exceso de

ganancia de =;A67 )os sensores de barrera hacen adecuados para entornoscon mucha contaminaci"n ambiental. El rango de detecci"n máximo es de ,++

pies.



Figura 4.3) -arrera t%cnica de barrido

)a viga efica! de un sensor fotoeléctrico es la regi"n del diámetro de la viga

donde una se detecta objetivo. El ha! efectivo en un sensor a través de ha! esel diámetro del emisor y lente del receptor. El ha! efectivo se extiende desde

la lente del emisor a la lente del receptor. El m4nimo del objetivo debe ser igual al diámetro de la lente.

2# exploración reflexiva el emisor y el receptor están en una unidad. )a lu!

procedente del emisor es transmitida en l4nea recta a un reflector y devuelve alreceptor. ( normal o un angular reflector cubo puede ser utili!ado. #uando un

objetivo bloquea el paso de lu! de la salida del sensor cambia el estado.#uando el objetivo no hay bloques más largos del recorrido de lu! el sensor

vuelve a su estado normal. El rango de detecci"n máximo es de ,/ pies.

Figura 4.32 t%cnica de barrido reflectante

El ha! efectivo es c"nico de la lente del sensor a los bordes del reflector. )os

B4nimo del objetivo debe ser igual al tamaño del reflector. )os reflectoresestán clasificados por separado de sensores. Aeflectores vienen en varios

tamaños y pueden ser redondas o rectangulares la forma o la cintareflectante. )a distancia de detecci"n se especifica con un reflector particular.

3# exploración difusa, el emisor y el receptor están en una unidad. )a lu!

procedente del emisor golpea la =arget y la lu! reflejada se difunde desde lasuperficie en todos los ángulos. Si el receptor recibe suficiente lu! reflejada la

salida conmutará estados. #uando la lu! no se refleja de nuevo a lareceptor de los retornos de salida a su estado original. En la exploraci"n difusa

se coloca el emisor perpendicular al objetivo. El receptor estará en alg%nángulo con el fin de recibir parte de las dispersas &difusas' la reflexi"n. S"lo

una pequeña cantidad de lu! llegará al receptor por lo tanto esta técnica tieneun alcance efectivo de alrededor de 0+ CC.



Figura 4.33 difusa t%cnica de barrido

4.5 os sensores de presión

)a presi"n medida y control de fluido &l4quido o gas' tiene que ser uno de losmás com%nes en todas las industrias de proceso. )a presi"n es la fuer!a por

unidad de área que un fluido ejerce sobre sus alrededores.

Figura diafragma sensor de presión simple 4.34

)os sensores de presi"n operan todas sobre la base del mismo principio: la

detecci"n de un f4sico fuer!a que surge debido a la presi"n. Dor ejemplo si undiafragma separa dos regiones con diferentes presiones a cada lado habrá una

fuer!a f4sica sobre el diafragma dado por:

$uer!a &D* 7 D5' &área de membrana' &0.*0'

)a fuer!a es dirigida desde la regi"n de alta presi"n a la regi"n de baja presi"n. ( fin de que medir esta fuer!a es posible medir la deflexi"n de la

membrana con un despla!amiento transductor &tal como un transductor capacitivo' o podemos medir la tensi"n en el diafragma con medidores dedeformaci"n embebidos. En cualquier caso es una ventaja para nosotros tener

un diafragma delgado en Dara maximi!ar el desv4o que tenemos la intenci"nde medir. Existen l4mites prácticos a la cantidad de deflexi"n puede medir. El

espesor de la membrana está generalmente también limitado por )a tecnolog4autili!ada para su fabricaci"n. Dor ejemplo los diafragmas de lámina metálica

son ampliamente utili!ados en instrumentos meteorol"gicos tradicionales&bar"metros aneroides'. =ecnolog4a estándar para metales fabricaci"n de papel

de aluminio es capa! de espesor de hasta unos pocos mil4metros a bajo costo ycon buena fiabilidad. a presión est(tica es la presi"n cuando no se está

produciendo el movimiento del l4quido. Sus valor aumenta a medida que lacarga de l4quido en los aumentos de tanque. a presión din(mica es la

presi"n que ejerce sobre su entorno mientras que el fluido está enmovimiento. Su valor aumenta a medida que el l4quido velocidad aumenta.

/nidades

* pla!a. $t *00 pulgadas cuadradasF * pie *5 pulgadas* psi &libras por pulgada cuadrada' * lb G5 1H IDaF

* pascal * @eJton G * m5* bar *+/pascal



En muchos casos la presi"n absoluta no es la cantidad de interés importante n

describe la presi"n. )a atm"sfera de gas que rodea la tierra ejerce una presi"ndebido a su peso en la superficie de la tierra de aproximadamente *02 psi. Si

un recipiente cerrado a la tierra de superficie conten4a un gas a una presi"nabsoluta de *02 psi entonces ser4a ejercer no efectiva presi"n sobre las

paredes del recipiente debido a que el gas atmosférico ejerce la misma presi"ndesde fuera. En este caso es más apropiado para describir la presi"n en un

sentido relativo que se compara con la presi"n atmosférica. Esto se conocecomo presi"n manométrica y viene dada por:

DgDabs7Dat &0*/'

"nde: DK Dresi"n manométrica

Dabs Dresi"n absoluta

Dat Dresi"n atmosférica

6n enfoque de medici"n muy com%n y relativamente barato implica la

medici"n de la capacitancia entre el diafragma y un electrodo fijo. #omo semuestra en la figura ,./5 movimiento de la membrana hacia el electrodo fijo

aumenta la capacitancia dispositivo como el aumenta la presi"n.

Figura 4.35 capacitancia entre el diafragma

En este caso la capacitancia entre estos electrodos depende de la separaci"n

entre el diafragma y el electrodo en todas las posiciones. 9tro enfoque para producir el despla!amiento es utili!ar un codo como se muestra en la figura. (

continuaci"n el dispositivo )-= convierte el movimiento del codo en una

señal de tensi"n de salida que expresar sobre el valor de la presi"n.

Figura 4.3 transductor de presión utili+ando 01T



9tros tipos de mediciones de la presi"n:

L Ban"metrosL iafragma con cristal pie!oeléctrico para producir la tensi"n de salida

L =ubo de ?ourdon para expresar en un despla!amiento mecánico del valor dela presi"n

4. transductores de fluo

El flujo se relaciona con la presi"n haciendo que el fluido que fluye a pasar através de alguna forma de restricci"n en la tuber4a de transporte lo que crea

una pérdida momentánea de presi"n. Esta presi"n diferencial se relacionamatemáticamente al caudal.

Figura 4.3! orificio, tobera de fluo y medidores de fluo 0enturi

)a célula G D es un dispositivo para medir la presi"n diferencial entre dos puntos. )a salida señal de este dispositivo es proporcional al valor al cuadrado

de la corriente medida. 6n cuadrado extractor de ra4! se puede utili!ar paraobtener una relaci"n lineal entre el flujo y la señal de medida como se muestra

en la figura.

a figura 4.3$ la medición de fluo indirecta medidor de fluo magn%tico

Se puede demostrar que si las part4culas cargadas se mueven a través de uncampo magnético un potencial es establecido a través del flujo perpendicular



al campo magnético. Dor lo tanto si el l4quido que fluye es =ambién un

conductor de la electricidad &no es necesario que sea muy buen conductor' elflujo puede ser medido al permitir que el l4quido fluya a través de un campo

magnético y la medici"n de la potencial transversal producido. )a secci"n dela tuber4a en la que se reali!a esta medici"n debe ser aislados y no conductor

s4 mismo o el potencial producido serán cancelados por las corrientes deel tubo. )a polaridad de la tensi"n de medici"n puede indicar la direcci"n del

flujo. Este dispositivo produce una señal eléctrica directamente y esconveniente para aplicaciones de control de procesos que implica la

reali!aci"n de flujo de flujo

)a salida es una funci"n de flujo extractor de ra4! cuadrada G D de la célulaflujo

Figura 4,3& metros de fluo magn%tico rot(metro

En un rotámetro la obstrucci"n es un flotador que se eleva en una columna

c"nica vertical. )a distancia que el flotador se eleva en la columna es

proporcional a la velocidad de flujo. )a fuer!a de elevaci"n se produce por la presi"n diferencial que existe a través del flotador ya que es una restricci"nen el flujo.

Figura 4.4' rot(metro tipo de turbina

6n medidor de flujo tipo turbina se compone de un conjunto de hoja deturbina libremente girando en el flujo de camino. )a velocidad de rotaci"n de

la turbina es proporcional a la velocidad de flujo. Si la turbina es unida a untac"metro una señal eléctrica conveniente puede ser producida.



Fig. medidor de fluo 4,4) Turbine

4.! transductores de nivel

En muchos procesos que implican l4quidos contenidos en recipientes talescomo columnas de destilaci"n evaporadores y los tanques de me!clado el

nivel particular de l4quido en cada recipiente pueden ser de gran importancia

en la operaci"n del proceso. Dor lo tanto se requiere una medici"n continua denivel.

Tipo flotador

En un diseño de flotador de bola una bola hueca f4sica flota en un l4quido y se

conoce como un dato punto proporciona un medio directo de medici"n denivel.

Figura 4.42 tipo Float

%todo de puntos discretos "discrete points met*ods#

En este método un conjunto de interruptores de l4mite se monta en un uno delos lados del tanque. ( medida que el nivel aumenta los puntos de contacto

que producen sobre los aumentos estatales. En consecuencia la tensi"n desalida desde el circuito de acondicionamiento de señal es proporcional al valor

de nivel.



Figura 4.43 puntos discretos medición de nivel

%todo de la resistencia "capacitance met*od#

En este método dos cilindros concéntricos están contenidos en un l4quido. Elnivel del l4quido ocupa parcialmente el espacio entre los cilindros con el aire

en la parte restante. Este dispositivo act%a como dos condensadores en paralelo una con la constante dieléctrica del aire &M*' y el otro con la del

l4quido. Dor lo tanto la variaci"n del nivel de l4quido produce una variaci"nde la eléctrica capacidad medida entre los cilindros.

Figura 4.44 sistema capacitivo

emplo

El nivel de alcohol et4lico se va a medir desde +7/ m usando un sistema

capacitivo tal que se muestra en la figura anterior. )as siguientes

especificaciones definen el sistema:

Dara el alcohol et4lico: >51F para el aire >* separaci"n del cilindro d+/

cmBedia de radio A /2/ cm

istancia a lo largo del eje del cilindro es )a' eterminar el rango de variaci"n de la capacidad como el nivel de alcohol

var4a de + a / m. b' #alcular el valor de nivel si la capacidad medida es de /+ n$ &nano $arad'.

Solución



-imos anteriormente que la capacidad está dada por N# >O

(nuncio. Dor lo tanto todo lo que necesitamos hacer es encontrar la capacidadde todo el cilindro sin alcohol y luego se multiplican por 51.

( 5 P A) 5 &,*0' &++/2/ m' &/ m' *8+1 m 5

Dor lo tanto para el aire# * &88/ p$ G m' &*.8+1 m5' G &+.++/ m' ,*H1 p$ M +++,5 m$

#on el alcohol et4lico la capacidad se convierte# 51 &+.++,5 p$' ++8,5 m$

l rango es de ',''32 *asta ','$32 Q F

)a capacitancia medida es el equivalente a dos capacitancias en paralelo &airey alcohol'.

Dor lo tanto tenemos

onde ; es el nivel de l4quido. Dor lo tanto 6 7 2,&3 m

%todo de presión en la cabe+a "*ead pressure met*od#

En este método el G medidas de células D la presi"n diferencial entre el

punto más profundo el dep"sito y o bien la presi"n atmosférica &tanqueabierto' o el punto superior en el tanque &cerrados buque' como se muestra en

la figura. )a señal de salida es proporcional con el valor al cuadrado delnivel. Dodemos medir el nivel mediante el uso de extractor de ra4! cuadrada

como se muestra antes.

"8# el tan9ue abierto

"-# el tan9ue cerrado

Figura 4.45 m%todo de presión :abe+a

%todo ultrasónico



Sonic y tecnolog4a ultras"nica se ha aplicado al problema de la medici"n de

nivel de l4quidos y s"lidos a granel durante muchos años. El uso de lareflexi"n de ultrasonidos para medir el nivel es favorecida debido a que es una

técnica de no invasivaF es decir que no implica colocar un objeto enel material. )a medici"n depende de la duraci"n de tiempo necesario para que

las reflexiones de una pulso ultras"nico desde la superficie del material.

Figura 4.4 edición de nivel en depósitos grandes

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