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Introducción a la Electrónica

Unidad 7: Sensores

7.1 – Introducción

7.2 – Sensado de Temperatura

7.3 – Sensado de deformación, fuerza, presión y peso

7.4 – Sensado de posición, velocidad y aceleración

7.5 – Conexionado de los sistemas de sensado a la captura de datos


MOTIVACIONTodo proceso de fabricación o industrial requiere

monitorear o controlar algunas magnitudes.

Para ello, resulta INDISPENSABLE interactuar con

el medio.


OBJETIVO


Introducción a la Electrónica Pág. 1

SENSOREs todo dispositivo que convierte una señal de una forma

física en una señal correspondiente pero de otra forma física

distinta.Señal de salida

(Mag. Física B)

Proceso

Entrada

(Mag. Física A)Sensor

TIPOS DE SEÑALES EN SENSORES

Entrada: mecánicas, térmicas, magnéticas, eléctricas,

ópticas y moleculares (químicas).

Salida : tensión, corriente, frecuencia, desplazamiento,

fuerza, luz, etc.


Aspectos Generales

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Porqué la salida es habitualmente una magnitud eléctrica?

La estructura electrónica de la materia hace que cualquier variación

de un parámetro NO eléctrico de un material genere una variación

de un parámetro eléctrico.

Los amplificadores electrónicos permiten extraer un mínimo de

energía del sistema en el proceso de medición.

La transmisión de señales eléctricas es mas versátil que el de otro

tipo de señal.


Aspectos Generales

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CARACTERISTICAS GENERALES DE UN SENSOR

Campo de medida: Espectro de valores comprendidos dentro de los

límites superior e inferior de la capacidad de medida del dispositivo. Por

ej., de un sensor de Tº pudiese ser 100-300ºC.

Alcance: Es la diferencia algebraica entre los valores superior e inferior

del campo de medida del instrumento.

Error: es la diferencia algebraica entre el valor leído y el valor real de la

variable medida. Puede ser estático o dinámico.


Aspectos Generales

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Incertidumbre: es la dispersión de los valores que pueden ser

atribuidos razonablemente al verdadero valor de la magnitud medida.

Se determina estadísticamente.

Precisión: define los límites de los errores cometidos (en condiciones

normales).

Sensibilidad: es la razón entre el incremento de la lectura y el

incremento de la variable que lo ocasiona.

Otros: Zona muerta, histéresis, fiabilidad, resolución, ruido, linealidad,

estabilidad, etc.


Aspectos Generales

CARACTERISTICAS GENERALES DE UN SENSOR

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PRINCIPIOS DE SENSADO DE TEMPERATURA

Variaciones del volumen o estado de los cuerpos (Termómetros).

F.e.m. creada en la unión de dos metales distintos (Termocuplas).

Variación de resistencia de un conductor (RTDs)

Variación de resistencia de un semiconductor (Termistores).

Intensidad de la radiación total emitida por el cuerpo (pirómetros de radiación).

Otros fenómenos utilizados en laboratorio (velocidad del sonido en un gas, frecuencia de resonancia de un cristal, etc.)


Sensores de Temperatura

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Un sensor bimetálico consiste en el laminado conjunto de dos

metales de distinto coeficiente de dilatación.

Ante una variación de temperatura, los metales sufrirán distintas

deformaciones provocando una curvatura hacia uno de los planos.

BIMETALES



BIMETALES (2)


α1 y α2: coeficientes de expansiónn = E1/E2 (E1, E2: coef. de elasticidad)n = t1/t2 (t1, t2: espesores)t = t1+t2 (espesor total de la lámina)

a- Cintas en equilibrio térmico

b- Deformación de Cintas ante variación de Tº


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TERMOCUPLASSu funcionamiento se ve justificado por el efecto Seebeck: si las junturas

del conexionado entre dos metales diferentes se encuentran a distinta

temperatura, se induce una f.e.m (V).


V(Tº,To,α) ≈ α(Tº - To) = αTº - αTo V: fem inducida (µV ó mV) Tº: Temperatura a medirTo: Temperatura de referencia (ambiente)α: coeficiente de sensibilidad (µV/ºC)

Esquema Termocupla tipo K


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La medición depende de la temperatura de referencia (habitualmente ambiente). Por ello, debe agregarse un elemento compensador que inmunice el registro de toda variación.

La tensión generada tiene un comportamiento NO lineal en relación a la variación de la temperatura.

La salida es una pequeña señal, y por ello, muy vulnerable a absorber ruido eléctrico.

La mayoría de los errores de medición son causados por uniones no intencionales (cualquier contacto entre dos metales distintoscreará una unión).


TERMOCUPLAS (2)

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TERMOCUPLAS (3)



Es un elemento de material cerámico que manifiesta grandes cambios

en su resistencia eléctrica ante variaciones de temperatura. Esta

dependencia puede estimarse como:

Rt = R0 (1 + at + bt2 + ct3 +· · ·)

donde,

R0 = resistencia a una temperatura de referencia-

Rt = Resistencia a la temperatura t

a = coeficiente de variación de la resistencia con la temperatura (Ω/ºC)

b, c = coeficientes estimados a partir de puntos de calibración.


RTD (RESISTANCE TEMPERATURE DETECTOR)


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RTD (2)

Característica Temperatura/Resistencia de materiales termoresistivos típicos.



RTD (3)

El material detector típicamente empleado es platino.

Garantizan una medición precisa en el rango -185 a 650ºC

La variación de la resistencia con la temperatura es lineal y estable en

el tiempo.

Los sensores RTD se utilizan para monitoreo y control de procesos.



RTD (4)



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TERMISTORES

Un termistor es un dispositivo eléctrico de material sólido semiconductor con un alto coeficiente de variación de su resistencia eléctrica ante variaciones de temperatura. La dependencia de la resistencia con la temperatura puede aproximarse como:

R0 = resistencia a u n valor de Tº de referencia (por ej., 0ºK) RT = resistencia a la temperatura T K, B = constante que depende del proceso de fabricación.Otra manera de expresar esta aproximación sería:

R∞ = valor de resistencia estimada a una temperatura aproximadamente infinito.



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TERMISTORES (2)

Los materiales mas frecuentemente utilizados son óxidos de cobalto, cobre, hierro, magnesio, manganeso, nickel, titanio, zinc, etc.Según su resistencia aumente o disminuya ante un incremento de la temperatura, el termistor se clasificaráen PTC o NTC.Alta sensibilidad.Alto nivel de salida.Poca estabilidad.De difícil calibración



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PIROMETROS DE RADIACION


Pertenecen al grupo de los elementos de termometría por radiación.

Son una aplicación práctica de la fórmula de Planck

Hacen posible medir la temperatura de un cuerpo sin tomar contacto con éste.

Permiten rangos de medición muy amplios (hasta1100C con una precisión de ±0.01C)


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W(λ):Energía de radiación electromagnética por unidad de longitud de onda.ε(λ): emitividad de un objetoC1= 3.74´10–12Wcm2C2= 1.44 cmK




Curva de densidad espectral en función de la longitud de onda.

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Utilizan un sistema óptico.

Una lente concentra la radiación del objeto en una

termopila formada por varios termopares.

La termopila proporciona una f.e.m. que es la diferencia

entre la unión caliente (radiación procedente del objeto

enfocado) y la unión fría (caja del pirómetro, Tº

ambiente).




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a- Esquema de un pirómetro

b- Despiece opciones de ensamble de un pirómetro

Basan su funcionamiento en la sensibilidad con la temperatura de la juntura pn.Logra alta precisión a un bajo costo. La sensibilidad de una juntura pn está definida por ecuaciones y son fácilmente predecibles en rangos típicos de trabajo (-55ºC a 150ºC). Si bien el coeficiente de variación que se logra es menor que con una RTD, el comportamiento de un sensor semiconductor de junturaes mucho mas lineal.


SEMICONDUCTORES


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Transistor bipolar configurado como sensor de Tº Tensión base emisor vs. Tº en un sensor de silicio.


SEMICONDUCTORES


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Campo de medida de los instrumentos de temperatura


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