Sensores y actuadores

M. I. Renán G. Quijano Cetina

Unidad 1: Introducción

Introducción a los sistemas de medida y control.

• Un lazo de control permite modificar el comportamiento de un sistema mediante la retroalimentación de la salida del sistema.

En general, se habla de dos tipos de problemas de control: •Problemas de Regulación •Problemas de Seguimiento

Problemas de Regulación

Perturbaciones : señales que entran al sistema y que no pueden ser manipuladas.

Problemas de Seguimiento

Los sensores y los subsistemas de medición asociados proporcionan información respecto al estado del proceso, son los intermediarios entre el proceso y el controlador

Los procesos son influenciados o manipulados por actuadores, los cuales afectan cierto número de variables de entrada.

Características generales de los sensores

• Los sensores son dispositivos físicos que miden magnitudes físicas tales como distancia, luz, sonido, olor, temperatura, etc.

• Su función principal es proporcionar información del mundo real.

• Transductor es un dispositivo que transforma el efecto de una causa física, como la presión, la temperatura, la dilatación, la humedad, etcétera, en otro tipo de señal, normalmente eléctrica.

El propósito de un sistema de medición es observar y cuantificar el valor que tiene una variable física y procesar la información obtenida.

• Los actuadores son utilizados en todos los campos tecnológicos, por lo que existe una gran cantidad de diseños de actuadores.

• Los actuadores actúan de alguna manera sobre el flujo de materia o de energía por medio del procesamiento de información y constituyen una liga importante entre el nivel de señal de información y el proceso técnico.

• Para el caso particular de actuadores utilizados en sistemas mecatrónicos, los actuadores tiene normalmente una entrada eléctrica y una salida mecánica (posición, velocidad o fuerza)

• Utilizan diferentes tipos de energías auxiliares, que involucra equipo auxiliar (bombas, tuberías, puentes rectificadores, sistemas de electrónica de potencia, etc)

• Los transductores son una categoría de los dispositivos de sensado (sensores) que producen (o suministran) las señales de entrada a los sistemas de medición.

• Un transductor es un dispositivo de sensado que provee una señal eléctrica de salida en respuesta a las variaciones de una cantidad física (propiedad o condición) que se desea medir.

• Los transductores son llamados de formas diferentes en las diferentes disciplinas, p. e. en petroquímica son llamados transmisores, que confunde a quienes están involucrados con telemetría (e.g. el transmisor de presión).

La descripción de un sensor se basa generalmente en las siguientes consideraciones: • Variable a medir: qué cantidad se intenta medir.

• Principio de transducción usado: se refiere al principio de operación

(eléctrico) en el transductor por el cual se produce la salida.

• Elemento de transducción: se refiere al elemento que responde directamente a los cambios de la variable que se desea medir.

Ejemplo: Considere un transductor de temperatura de tipo de sonda de inmersión, que incorpora circuitos electrónicos para convertir los cambios de resistencia de un hilo de platino en una tensión de corriente continua. En este ejemplo la variable a medir es temperatura, el principio de transducción empleado es resistivo, mientras que el elemento de transducción es el hilo de platino y el rango es de 100°C .

Los criterios mas importantes para evaluar a los sensores son los siguientes:

• Comportamiento estático: este comportamiento es descrito por las características del sensor, y no por la forma en que varíe la señal que se quiere medir. Diversas propiedades definen el comportamiento estático del sensor, como la sensitividad, linealidad, histéresis y repetitibilidad.

• Comportamiento dinámico: se asocia con la respuesta en frecuencia del sensor y por algunos valores característicos, como frecuencias de corte o constantes de tiempo.

• Calidad de la medición: esta característica es un indicador de la precisión del sensor.

Los criterios mas importantes para evaluar a los sensores son los siguientes:

• Rango de la medición: esta característica nos dará un indicativo del rango en el cual algunas de las otras características pueden ser mantenidas

• Sobre carga: esta característica nos indicará cual es el rango en el cual el sensor puede operar sin dañar al dispositivo.

• Compatibilidad.

La probabilidad y la estadística son herramientas que nos permiten comprender, cuantificar, modelar y definir el impacto del error de medición. Algunos aspectos básicos de la metrología:

• Validez (el sistema de medición realmente sigue la cantidad que

queremos seguir).

• Precisión (consistencia de la medición).

• Exactitud (dar la respuesta correcta o en promedio). Aunque estos términos se parezcan, cada uno de ellos se refiere a un aspecto particular.

Características estáticas de los sensores. • Intervalo de medida: Valores que puede tener la variable medida, así sea

recibida, transmitida o empleada como indicador. Estos valores están comprendidos dentro de los límites superior e inferior de la capacidad de medida del instrumento.

• Alcance (span): Diferencia algebraica entre los valores superior e inferior del campo de medida del instrumento.

• Dinámica de medida o rangeabilidad (rangeability): Cociente entre valor máximo y mínimo del intervalo de medida del instrumento.

• Error: Desviación que presenta el valor de la variable medida respecto al valor teórico esperado.

𝜀=𝑋−𝑌

Donde el error de la muestra es la diferencia entre 𝑌, que se refiere al valor real de la variable que quiere ser medida y 𝑋, que es la medición. Para propósitos ingenieriles, el valor verdadero de una variables es aquel que es determinado por algún método de medición estandarizado de alta resolución.

• Reproducibilidad: Capacidad que tiene un instrumento de obtener el mismo valor para una variable en diversas ocasiones operando en las mismas condiciones y en un periodo de tiempo determinado.

• Incertidumbre: Dispersión de los valores que pueden ser atribuidos razonablemente al verdadero valor de la magnitud medida. Cuando se dispone de una sola medida la incertidumbre es:

𝑖=𝐾𝜎

Donde: K= depende del nivel de confianza (K=2 para 95%) 𝜎= desviación típica del instrumento indicada por el fabricante.

• Sensibilidad (sensitivity): Es la razón entre el incremento de la lectura y el incremento de la variable que lo ocasiona, después de haber alcanzado el estado de reposo.

• Zona muerta (dead zone o dead band): Es el campo de valores de la variable que no hace variar la indicación o señal de salida del instrumento, es decir, que no produce su respuesta.

• Histéresis (hysteresis): Máxima diferencia observada en la variable medida cuando se toma la lectura en un mismo punto pero variando la dirección en que se recorre el campo de medida o se llega a este mismo punto.

• Elevación de cero: Es el valor de la diferencia entre el cero de la variable medida y el límite inferior del campo de medición.

• Deriva: Variación en la señal de salida que se presenta en un periodo de tiempo determinado mientras se mantienen constantes la variable medida y todas las condiciones ambientales.

• Resolución: Es la menor diferencia entre mediciones que un instrumento puede distinguir.

• Trazabilidad (Traceability): Capacidad de relacionar las medidas obtenidas por un instrumento y algún patrón nacional o internacional.

• Linealidad: aproximación de una curva de calibración a una línea recta especificada.

• Fiabilidad: Probabilidad de que un sistema mantenga su operación y funcionamiento, bajo ciertas condiciones, sobre un intervalo de tiempo.

Para el caso de sensores, probabilidad de que un instrumento mantenga la precisión de las mediciones a lo largo de un tiempo determinado y bajo condiciones específicas. • MTF: Mean Time to Failure: Promedio en horas entre fallas del sensor

Este dato es determinado de manera estadística, con pruebas de dispositivos en laboratorios de prueba.

Características dinámicas

• Error Dinámico: Es la diferencia entre el valor instantáneo de la variable y el indicado por el instrumento. En condiciones dinámicas el error dinámico varía considerablemente debido a que los instrumentos tienen características similares a los sistemas físicos. Es decir, absorben y transfieren energía de un proceso lo que origina un retardo en la señal.

• En general, se considera que los sensores y los actuadores son elementos, dentro de lazo de control, que no tienen dinámica.

• Esto puede ser considerado como cierto si la dinámica del proceso es relativamente lento con respecto a la dinámica del sensor o del actuador.

• Como parte de la selección de un sensor o de un actuador, es necesario analizar su respuesta dinámica.

• La selección de actuadores con una dinámica adecuada permite implementar estrategias de control de altas prestaciones, en caso contrario se obtienen respuestas lentas.

Análisis de la respuesta en tiempo

• El objetivo de este tipo de análisis es verificar la correlación entre la respuesta del sistema, sea sensor, actuador o planta, entre la entrada, la salida y el tiempo.

• Para simplificar el análisis, generalmente se eligen entradas de prueba estándar. La utilización de este tipo de entradas permite comparar entre diferentes sistemas.

Las señales estándar utilizadas con mayor frecuencia son:

Clasificación de los sensores

Los sensores pueden clasificarse de acuerdo con diferentes criterios: • Variable medida. • Principio de sensado. • Tecnología de fabricación. • Tipo de señales e interfases. • Campos de aplicación. • Propiedades y características. • Calidad. • Costos.

Clase Cantidad medida

Cantidades mecánicas

Cantidades geométricas Desplazamiento, ángulo, nivel, gradiente.

Cantidades cinemáticas Velocidad, aceleración, oscilación, flujo.

Cantidades de estrés Fuerza, presión, par (torque).

Características materiales Masa, densidad, viscosidad.

Cantidades acústicas Velocidad, presión, frecuencia del sonido.

Cantidades térmicas

Temperatura Temperatura de contacto, temperatura de radiación.

Cantidades eléctricas

Variables de estado eléctrico Voltaje, corriente, potencia eléctrica.

Parámetro eléctrico Resistencia, impedancia, capacidad, induct.

Variables de campo Campo magnético, campo eléctrico.

Cantidades físicas o químicas

Concentración Nivel de Ph, humedad, conducción de calor.

Tamaño de una partícula Contenido de polvo y materia en suspensión

Tipo de molécula Moléculas de gas, fluido o cuerpo rígido.

Cantidades ópticas Intensidad, longitud de onda, color.

Clasificación de los sensores según el tipo de señal de salida

Analógicos: Dan como salida un valor de tensión o corriente variables en forma continua dentro del campo de medida.

• 0-10V • 0-5V • 4-20mA

Digitales: Dan como salida una señal en forma de una palabra digital.

• Tren de pulsos • Uart • Spi • I2C • 1-wire

Todo-nada: Indican cuándo la variable detectada rebasa un cierto umbral.

Acondicionamiento de señal • Generalmente, las señales eléctricas de campo vienen contaminadas

de ruido.

• Comúnmente, las tarjetas de adquisición de datos reciben señales en el rango de 4-20mA, -5 a 5V, 0-5V, etc.

• Es necesario que las señales eléctricas sean limpiadas y llevadas dentro del rango de medición.

• El acondicionamiento va a depender de cada señal particular y su aplicación.

Acondicionamiento de señal • Amplificación/Atenuación.

• Aislamiento.

• Multiplexado.

• Filtrado de la señal.

• Excitación.

• Linealización.