Sensores
Ing. Jos Roberto Vignoni
Ao 200
Instrumentacin y
Comunicaciones Industriales
Sensores
Introduccin
Parmetros de los sensores
Sensores de Temperatura
Instrumentacin y
Comunicaciones Industriales
Introduccin
Sensores y actuadores son ejem transductores
Un transductor es un disposit
convierte energa de tipo cal lumnica, acstica, presin, mo caudal, etc. a otra generalmente para poder medirla y eventua controlarla en forma relativame
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Sensor: Transductor de entrada
Criterios de Clasificacin de Sensores
Segn requerimientos de fuente de
Activos Pasivos
Naturaleza de la seal de salida
Digitales Analgicos
Naturaleza de la magnitud a medir
Mecnicos, Trmicos, Magnticos, Qu
Variable fsica de medida
Resistivo, Inductivo, Capacitivo, Piezo
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Sensores Pasivos o Autogenerat
Generan directamente una seal el respuesta a un estmulo externo sin necesidad de una fuente de energ Toman energa del estmulo.
Termocouplas, Sensores Piezoelectri
Sensores Activos o Modulantes
Requieren fuente de energa extern seal de excitacin para poder func
Termistor, Inductor, etc.
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Sensores Analgicos
Proveen una seal continua tanto en magnitud como en contenido espacial o temporal.
Temperatura,
desplazamiento, intensidad lumnica, etc.
Sensores D La salida forma de escalone estados
Conta (switc enco
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Parmetros de los Sen
Campo de Medida, Rango (Range
valores mximo y mnimo que pueden
Alcance (Span)
Diferencia algebraica entre los valores inferior del campo de medida del instru Error
diferencia entre el valor medido y el va
Error absoluto = resultado valor verdadero
Error relativo = error absoluto / valor verdadero
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Errores sistemticos
Son resultado de una variedad de factore Interferir o modificar variables (tem Drift (cambios en la estructura fsic El proceso de medida hace variar l(transmisor)
El medio de transmisin hace varia (atenuacin)
Errores humanos
Pueden ser corregidos con mtodos de c
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Errores aleatorios
Tambin denominado ruido: seal contiene informacin
Error aleatorio verdadero (ruido bla
Ruido ambiente (tomado por un micr
Interferencia electromagntica
La relacin seal ruido debe ser
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Incertidumbre
Es la dispersin de valores que pueden razonablemente al valor verdadero de la medida
Trazabilidad
Propiedad del resultado de las medicion con un instrumento, tal que puedan ser r con patrones nacionales o internacionale
una cadena ininterrumpida de comparac todas las incertidumbres determinadas
Exactitud
Es la cualidad del instrumento que tiend lecturas prximas al valor verdadero de l medida
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Sensibilidad
Mnimo valor de entrada que genera un salida
Precisin
Es el grado de reproducibilidad de las m
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Es la capacidad de medir de un instrumento, par misma lectura cuando se realizan repetidas medi misma magnitud, bajo idnticas condiciones.
Precisin implica similitud entre lecturas sucesivas, necesariamente cercanas al valor verdadero
La Precisin est relacionada con la varianza de un medidas
La Precisin es una condicin necesaria pero no suf exactitud.
Dos trminos estrechamente relacionados con la pre Repetibilidad
Es la precisin de un conjunto de medidas reali mismas condiciones en un intervalo de tiempo
Reproducibilidad
Es la precisin de un conjunto de medidas tomadas en un perodo largo de tiempo o realizadas por diferentes operadores o con diferentes instrumentos o
en diferentes laboratorios
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Resolucin o discriminacin
Menor cambio discernible en el valor meLinealidad
Es la aproximacin de la curva de calibra instrumento, a una lnea recta especifica
Deriva
Es una variacin en la seal de salida,
presenta en un perodo de tiempo determin se mantienen constantes la variable medida condiciones ambientalesEstabilidad o Confiabilidad
Capacidad de un instrumento de mante comportamiento durante su vida til.
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Vida til se definir como el perodo e dispositivo contine funcionando con (dentro de lmites predeterminados).
La confiabilidad se relaciona con el c dispositivo por lo que la especificaci
vida til es una relacin de compromi costo y eficiencia.
La falla de cualquier componente pue repentina e impredecible, o gradual, e caso puede detectarse algn movimi de las especificaciones. Adems cua la falla, podra ser completa o parcial.
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El fabricante da la evaluacin de conf en trminos estadsticos, ya que en g impracticable medir todos los parme cada dispositivo.
El tiempo medio para falla (MTTF: me failure) est definido para un perodo uso como:
{tiempo de funcionamiento correcto} + {nm sobrevivientes} x {perodo de uso} / nmero fallas
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Ejemplo
Durante un perodo de 1000 hs, 27 sensore funcionaron satisfactoriamente, uno se desc despus de 6 hs, otro despus de 13 hs. y despus de 680 hs. Cul es el (MTTF)?
(1*6)+ (1*13)+ (1*680)+ (27 *1MTTF =3
Obsrvese que el MTTF es generalmente m que el perodo de uso o prueba.
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Cuando un dispositivo puede rep cifra dada suele ser el tiempo me fallas. (MTBF: mean time betwee failures) y se define como:
perodo total de uso de los disposinmero de fallas
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Ejemplo
El sensor de tipo x puede repara que las tres fallas o averas ante sealadas fueron reparadas, per ellos se descompuso una vez m las 1000 hs. de uso. Cual es el
MTBF = 30*1000 = 7500 ho 4
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La respuesta dinmica de un sensor lineal
por lo tanto se puede asociar a una e diferencial de coeficientes constantes
En la prctica se consideran modelos de segundo orden
Los modelos de orden cero no tienen ele que almacenen energa
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Sensores de Tempera
RTD (Detector de Temperatura Res
Resistencia variable c
temperatura
RT= R0 (1 + T +
R0 es la resistencia a la t
T es la diferencia de te
(T- T0)
Son de, ,... Son los coeficient
coeficientemetal
positivo
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Materiales para la fabricac RTDs
Propiedades:cobre, nquel, h
-Maleables
nquel, platino
-Curva de transferencia estable y repetitiva
-Resistentes a la corrosin
-Bajo costo
-Variacin de resistencia lineal con la temperatura
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Propiedades y Comportamiento d
comunes
MaterialCoef. De Temp. Rango de Temp. Car
Platino0.00385 a269C aAm
0.003923593CLine
Est
Nquel0.006740C a 300CMa
Ant
Cobre0.004373C a 149CLine
Baj
Ran
Hierro-0.005146C a 343CAl s
Nquelalea
Instrumentacin yinte
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RTDs de Platino
Segn Estndar IEC 751 Clase A +/- 0,06 a 0 C
Clase B +/- 0,12 a 0 C
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Formas Constructivas
Bobinada
PelculaBobina
MetlicaSuspend
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Tipos de Conexiona
Conexin con 2 cables
L1
R1RT
E0 L2
R2R3
Lx1L1
Si E0 = 0 entonces:
R1 = L1 +RT +L2
R1
RT
Lx2L2
R2R3
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2 Cables con Compensacin
Lx1L1
R1
RT
RT = R25 C + 0,003
Lx2L2
R2 REX R3
R1 = R2 REX = L R3 = L1 +
L1
R1
RT
R2
L2
R3
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Conexin con 3 cables
L1
R1
RT
L3
R2 L2R3
R1 = R2 = R3 + L2 = RT + L1
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Ventajas y desventajas d RTDs Ventajas:
Lineales
Estables
Intercambiables Desventajas
Sensibilidad baja
Voluminosas
Alta Inercia Trmica (Alto tiempo de resp
Medianamente frgiles
Autocalentamiento
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Termistores
Materiales semiconductores que utilizan variable su resistencia para detectar vari de temperatura.
Se fabrican con
diversos metales nquel, cobalto, c titanio, mangane
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Donde:
T: es la temperatura (en kelvin),
TRef es la temperatura de referenci generalmente la temperatura ambien 77 F; 298.15 K)R: es la resistencia del termistor ()
RRef: es la resistencia a TRef
: es una constante de calibracin de del material del termistor, generalmen 3,000 and 5,000 K.
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Ventajas:
Alta sensibilidad
Alta precisin (+/- 0.02 C)
Pequeo Tamao
Baja Inercia Trmica (bajo tiempo respuesta)
Estabilidad y repetibilidad a largo p
Desventajas
Altamente alineales
Limitado rango de utilizacin (-40 C)
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Termocuplas (pares termoelc
Sensores de temperatura por efecto termoelctrico, conformado por dos distintos conectados en dos juntura diferentes.
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Principio de funcionamiento
Efecto Seebek: En un circuito conforma metales cuyas junturas estn a temperatur diferentes, circula una pequea corriente.
Efecto Peltier: Reversibilidad del fenme aplica una tensin al circuito anterior, una calienta y la otra se enfra dependiendo de de circulacin de la corriente.
Efecto Thompson: Cualquier material c homogneo, expuesto a un gradiente de temperatura, genera una fem entre sus ext
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Tipos de termocuplas
Las termocuplas se consiguen diferentes combinaciones de m calibraciones. Las cuatro ms c son las tipo: J, K, E y B. Cada u diferente rango de aplicacin dependiente de la temperatura entorno de trabajo.
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Tipo K (Chromel (Ni-Cr) / Alumel (Ni-A
Es una termocupla de propsitos generale bajo costo y se consigue en una variedad rango de temperatura de trabajo va desde +1200 C. La sensibilidad es de aproxima 41 UV/C.
Type J (Hierro/ Constantan)
Limitado rango de trabajo (40 to +750 C menos popular que la anterior. Su aplicaci importante la relaciona con equipamiento Las termocuplas tipo J no deben utilizarse de 760 C ya que sufriran una abrupta transformacin magnetica que causara u permanente descalibracin.
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Tipo E (Chromel / Constantan (Cu-Ni )
Tiene mayor sensibilidad (68 UV/C), se u rangos de muy baja temperatura (criogeni propiedad importante es que es no-magn
Type B (Platino-Rhodio)
Se utiliza en altas temperaturas hasta 180
Generalmente, las termocuplas tipo B pre misma tensin de salida desde 0 C hasta que las hace intiles por debajo de 50 C. baja sensibilidad (10 UV/C). Se utilizan p de 300 C.
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Formas constructivas
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Ventajas
Amplio rango de temperatura
Bajo costo
Robustas
Baja inercia trmica
Buena exactitud y repetibilidad Desventajas
Baja sensibilidad (menor a 60 V/
Necesita temperatura de referencia
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Semiconductores
Es un dispositivo semiconductor con las propiedades de un diodo
Econmico, lineal y fcil de usar
Rango de temperatura limitado (-50C to 150 C) debido a la naturaleza de los materiales semiconductores
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Pirmetro
Tambin denominado termmetro de es un instrumento que permite medir temperatura de una superficie midien radiacin electromagntica (infrarroja emitida por un objeto.
La radiacin EM de caractersticas t abarca un rango de longitudes de on desde el ultravioleta profundo hasta infrarrojo (0.1 a 100 m).
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Pirmetro ptico
Mide radiacin trmica en el espectro vis por comparacin con una luz calibrada g un filamento.
Pirmetro Infrarrojo
Mide en la regin del infrarrojo (2 a 14 radiacin genera una carga elctrica en piroelctricos como el tantalato de litio (L
Ventajas Rpida respuesta, medida sin contacto,
Desventajas
Caros, la medida puede ser afectada por humo, radiacin EM en el entorno.
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