Download interruptores y sensores

UNIDAD 2
INTERRUPTORES Y SENSORES
Introducción
Un sensor es un aparato capaz de transformar magnitudes físicas o químicas,
llamadas variables de instrumentación, en magnitudes eléctricas. Las variables de
instrumentación pueden ser por ejemplo: temperatura, intensidad lumínica,
distancia, aceleración, inclinación, desplazamiento, presión, fuerza, torsión,
humedad, pH, etc. Una magnitud eléctrica puede ser una resistencia eléctrica (como
en una RTD), una capacidad eléctrica (como en un sensor de humedad), una Tensión
eléctrica (como en un termopar), una corriente eléctrica (como en un fototransistor),
etc.
Un sensor se diferencia de un transductor en que el sensor está siempre en contacto
con la variable de instrumentación con lo que puede decirse también que es un
dispositivo que aprovecha una de sus propiedades con el fin de adaptar la señal que
mide para que la pueda interpretar otro dispositivo. Como por ejemplo el termómetro
de mercurio que aprovecha la propiedad que posee el mercurio de dilatarse o
contraerse por la acción de la temperatura. Un sensor también puede decirse que es
un dispositivo que convierte una forma de energía en otra. Áreas de aplicación de los
sensores: Industria automotriz, Industria aeroespacial, Medicina, Industria de
manufactura,
Robótica,
etc.
Los sensores pueden estar conectados a un computador para obtener ventajas como
son el acceso a una base de datos, la toma de valores desde el sensor, etc.
2.1 Interruptores (presión, nivel, temperatura, flujo, límite).
Un interruptor es un dispositivo para cambiar el curso de un circuito. El modelo
prototípico es un dispositivo mecánico (por ejemplo un interruptor de ferrocarril) que
puede ser desconectado de un curso y unido (conectado) al otro. El término "el
interruptor" se refiere típicamente a la electricidad o a circuitos electrónicos. En usos
donde requieren múltiples opciones de conmutación (p.ej., un teléfono), con el tiempo
han sido remplazados por las variantes electrónicas que pueden ser controladas y
automatizadas.
Interruptores de presión
Operan a través de su elemento sensible que es un pistón, un resorte, aislado del
proceso por un diafragma sellado con un anillo “O” estático. Esto asegura una larga
vida y superior operación bajo las condiciones de los procesos industriales.
El contacto on-off de los interruptores tiene características que les permiten una gran
exactitud en los puntos de disparo (menos del 1%). La gran solidez asegura la perfecta
operación de nuestros instrumentos, aun en procesos donde exista vibración.
Los interruptores de presión cuentan con rangos de protección sobre presiones hasta
de 10 veces sobre su rango de operación.
Interruptor de nivel
Es un dispositivo que, instalado sobre un tanque u otro recipiente en que hay
almacenamiento de sólidos o líquidos, permite discriminar si la altura o nivel que el
material o elemento almacenado alcanza o excede un nivel predeterminado. Al
producirse dicha condición, este dispositivo cambia de estado y genera una acción que
evita que el nivel siga subiendo.
El ejemplo más sencillo de interruptor de nivel es el flotador de un retrete, que
interrumpe el flujo de agua al alcanzar el tanque un nivel determinado.
Interruptores de temperatura
Electrónicos.- Un elemento de activación es un sensor de temperatura semiconductor,
cuyas señales modificadas en función de la temperatura provocan cambios en el
estado de conmutación con ayuda de amplificadores o elementos electrónicos.
Mediante ajustes en el sistema electrónico se puede ajustar con exactitud la intensidad
de la señal requerida para el proceso de conmutación y, con ello, el punto de
conmutación; en principio, el punto de conmutación.
Interruptor de flujo
Es un artefacto que controla el flujo de aire, vapor o líquido. Envía una "señal de
activación" a un artefacto diferente al sistema, tal como una bomba. El interruptor de
flujo puede indicar a la bomba que se encienda o apague, puede detener un motor
cuando no haya flujo presente, arrancar un motor cuando exista un flujo presente,
hacer sonar una alarma cuando el flujo se detenga o detener una alarma cuando el flujo
es el correcto .Algunos de los usos generales son protección de bombas, protección de
circuitos de refrigeración y alarmas para velocidades de flujo demasiado altas o
demasiado bajas.
Interruptores de Limite
Los interruptores de límite detienen e inician el flujo de corriente dentro de un circuito
para que se alcance una posición específica, por ello se utilizan tanto en maquinarias
pesadas así como en dispositivos no industriales como los abridores de puertas de
estacionamientos. Estos interruptores vienen de distintos tipos dependiendo de la
maquinaria en la que se van a colocar y el propósito para el que estén hechos.
Algunos interruptores son herméticos y otros pueden soportar altas temperaturas.
Estos tipos de interruptores, además de ser utilizados en todo tipo de equipo industrial,
se prestan mucho para todo tipo de aplicación en proyectos y holística,
por su versatilidad y alto rateo en corriente y voltaje aun en dispositivos de muy
reducido tamaño.
2.2 Principio de transducción.
Es la transformación de un tipo de energía en señal eléctrica o viceversa por medio de
un transductor. Los principios de transducción son el fundamento físico sobre el cual
se asienta la conversión de una magnitud física a otra. Existe una gran variedad de
estos. Los transductores para detectar una variable física pueden estar basados en
principios diferentes.
Un transductor es un dispositivo que convierte una forma de energía en otra.
Se tomarán los transductores que convierten eventos fisiológicos en señales
eléctricas.
Se trabajará con sensores capacitivos, resistivos, inductivos, piezoeléctricos,
fotoeléctricos, electroquímicos, etc.
■ Propiedad transducible: Es una característica singular de un evento a la cual se le
puede aplicar un principio de transducción.
■ Principio de transducción: Método empleado para convertir la propiedad transducible
en una señal eléctrica.
Características de los transductores
■ Regla de Kelvin (instrumentación): El instrumento de medida no debe alterar el
evento que se está midiendo.
■ Tres criterios de reproducción fiel: Linealidad de amplitud, respuesta en frecuencia
adecuada y mínima distorsión de fase.
2.3 Sensores de presión.
Los sensores de presión o transductores de presión son elementos que transforman la
magnitud física de presión o fuerza por unidad de superficie en otra magnitud eléctrica
que será la que emplearemos en los equipos de automatización o adquisición
estándar. Los rangos de medida son muy amplios, desde unas milésimas de bar hasta
los miles de bar.
En la industria hay un amplísimo rango de sensores de presión, la mayoría orientados
a medir la presión de un fluido sobre una membrana. En robótica puede ser necesario
realizar mediciones sobre fluidos hidráulicos (por dar un ejemplo), aunque es más
probable que los medidores de presión disponibles resulten útiles como sensores de
fuerza (el esfuerzo que realiza una parte mecánica, como por ejemplo un brazo
robótico),
con
la
debida
adaptación.
Los dispositivos de la serie MPX2100 son piezorresistencias de silicio sensibles a la
presión. Proporcionan una variación de tensión exacta y directamente proporcional a la
presión que se les aplica. El sensor consta de un diafragma monolítico de silicio para
medir el esfuerzo y una fina película con una red de resistencias integradas en un chip.
El chip se ajusta, calibra y compensa en temperatura por láser.
En los sensores electrónicos en general, la presión actúa sobre una membrana
elástica, midiéndose la flexión. Para detectarla pueden aprovecharse diversos
principios físicos, tales como inductivos, capacitivos, piezorresistivos, ópticos,
monolíticos (con módulos electrónicos extremadamente pequeños, totalmente unidos)
u
óhmicos
(mediante
cintas
extensométricas).
En los sensores de presión con elemento por efecto Hall, un imán permanente
pequeño (que está unido a una membrana) provoca un cambio del potencial Hall. El
sensor de presión piezorresistivo tiene un elemento de medición en forma de placa
con resistencias obtenidas por difusión o implantación de iones. Si estas placas se
someten a una carga, cambia su resistencia eléctrica. Lo mismo se aplica en el caso
de los sensores de presión monolíticos, obtenidos mediante la cauterización gradual
de silicio.
Esquema del interior de algunos sensores de presión
a) Sensor Hall
1 Generador Hall
2 Imán permanente
3 Cuerpo del sensor
4 Membrana
b) Sensor de presión piezorresistivo
3 Cuerpo del sensor
5 Capa de unión
6 Contacto de aluminio
7 Pasivación
8 Piezorresistencia
9 Capa epitaxiada
10Sustrato de silicio
11 Soporte de vidrio
12 Capa de unión metálica
c) Sensor de presión capacitivo
10 Sustrato de silicio
11 Soporte de vidrio
13 Placa
d) Sensor de presión monolítico
10 Sustrato de silicio
14 Resistencias incorporadas mediante difusión
15 Carril de silicio
16 Vacío
17 Capa de soldadura.
2.4 Sensores de flujo.
Dispositivo que instalado en línea con tubería permite determinar cuando está
circulando
un
líquido
o
un
gas.
Estos son del tipo apagado/encendido, determinan cuando está o no circulando un
fluido pero no miden el caudal. Para medir el caudal se requiere un caudalímetro.
Tipos de sensor de flujo
○ De pistón
Es el más común de los sensores de flujo. Este tipo de sensor de flujo se recomienda
cuando se requiere detectar caudales entre 0,5 LPM y 20 LPM.
Consiste en un pistón que cambia de posición empujado por el flujo circulante. El
pistón puede regresar a su posición inicial por gravedad o por medio de un resorte.
El pistón contiene en su interior un imán permanente. Cuando el pistón se mueve el
imán se acerca y activa un reed switch que cierra o abre (según sea la configuración)
el circuito eléctrico.
El área entre el pistón y la pared del sensor determina su sensibilidad y por ende a que
caudal se activará el sensor.
○ De paleta (compuerta)
Este modelo es recomendado para medir grandes caudales, de más de 20 LPM.
Su mecanismo consiste en una paleta que se ubica transversal al flujo que queremos
detectar. El flujo empuja la paleta que está unida a un eje que atraviesa
herméticamente la pared del sensor de flujo y apaga o enciende un interruptor en el
exterior
del
sensor.
Para ajustar la sensibilidad del sensor se recorta el largo de la paleta.
○ De elevación (tapón)
Este modelo es de uso general. Es muy confiable y se puede ajustar para casi
cualquier caudal. Su mecanismo consiste en un tapón que corta el flujo. Del centro del
tapón surge un eje que atraviesa herméticamente la pared del sensor. Ese eje empuja
un
interruptor
ubicado
en
el
exterior
del
sensor.
Para ajustar la sensibilidad del sensor se perforan orificios en el tapón.
2.5 Sensores de temperatura.
Los sensores de temperatura son dispositivos que transforman los cambios de
temperatura en cambios en señales eléctricas que son procesados por equipo
eléctrico o electrónico.
Hay tres tipos de sensores de temperatura, los termistores, los RTD y los termopares.
El sensor de temperatura, típicamente suele estar formado por el elemento sensor, de
cualquiera de los tipos anteriores, la vaina que lo envuelve y que está rellena de un
material muy conductor de la temperatura, para que los cambios se transmitan
rápidamente al elemento sensor y del cable al que se conectarán el equipo electrónico.
 Termistor
El termistor está basado en que el comportamiento de la resistencia de los
semiconductores es variable en función de la temperatura.
Existen los termistores tipo NTC y los termistores tipo PTC. En los primeros, al
aumentar la temperatura, disminuye la resistencia. En los PTC, al aumentar la
temperatura, aumenta la resistencia.
El principal problema de los termistores es que no son lineales según la temperatura
por lo que es necesario aplicar fórmulas complejas para determinar la temperatura
según la corriente que circula y son complicados de calibrar.
 RTD (resistance temperature detector)
Un RTD es un sensor de temperatura basado en la variación de la resistencia de un
conductor con la temperatura.
Los metales empleados normalmente como RTD son platino, cobre, niquel y
molibdeno.
De entre los anteriores, los sensores de platino son los más comunes por tener mejor
linealidad, más rapidez y mayor margen de temperatura.
 Termopar
El termopar, también llamado termocupla y que recibe este nombre por estar formado
por dos metales, es un instrumento de medida cuyo principio de funcionamiento es el
efecto termoeléctrico.
Un material termoeléctrico permite transformar directamente el calor en electricidad, o
bien generar frío cuando se le aplica una corriente eléctrica.
El termopar genera una tensión que está en función de la temperatura que se está
aplicando al sensor. Midiendo con un voltímetro la tensión generada, conoceremos la
temperatura.
Los termopares tienen un amplio rango de medida, son económicos y están muy
extendidos en la industria. El principal inconveniente estriba en su precisión, que es
pequeña en comparación con sensores de temperatura RTD o termistores.
2.6 Sensores de nivel.
Es un dispositivo electrónico que mide la altura del material, generalmente líquido,
dentro
de
un
tanque
u
otro
recipiente.
Integral para el control de procesos en muchas industrias, los sensores de medición de
nivel se dividen en dos tipos principales. Los sensores de medición de punto de nivel
se utilizan para marcar una altura de un líquido en un determinado nivel
preestablecido. Generalmente, este tipo de sensor funciona como alarma, indicando
un sobre llenado cuando el nivel determinado ha sido adquirido, o al contrario una
alarma de nivel bajo. Los sensores de nivel continuos son más sofisticados y pueden
realizar el seguimiento del nivel de todo un sistema. Estos miden el nivel del fluido
dentro de un rango especificado, en lugar de en un único punto, produciendo una
salida analógica que se correlaciona directamente con el nivel en el recipiente. Para
crear un sistema de gestión de nivel, la señal de salida está vinculada a un bucle de
control de proceso y a un indicador visual.
Componentes de un sensor capacitivo.
2.7Sensores de peso, velocidad, conductividad, PH, etc.
Sensores de peso
Las celdas de carga o sensores de peso son aquellos dispositivos electrónicos
desarrollados con la finalidad es la de detectar los cambios eléctricos provocados por
una variante en la intensidad de un peso aplicado sobre la báscula o balanza,
información que a su vez transmite hacia un indicador de peso o controlador de peso.
La celda de carga o sensor de peso es un componente esencial al igual que el
indicador de peso, para el funcionamiento de cualquier báscula o balanza electrónica.
Se trata de un elemento totalmente plano integrado dentro de una membrana de
circuito impreso flexible de escaso espesor. Esta forma plana permite colocar al sensor
con facilidad entre dos piezas de la mecánica de nuestro sistema y medir la fuerza que
se aplica sin perturbar la dinámica de las pruebas. Los sensores utilizan una
tecnología basada en la variación de resistencia eléctrica del área sensora. La
aplicación de una fuerza al área activa de detección del sensor se traduce en un
cambio en la resistencia eléctrica del elemento sensor en función inversamente
proporcional
a
la
fuerza
aplicada.
Sensor de velocidad
El sensor de velocidad está hecho con una bobina de alambre más un imán. Están
colocados de forma que al moverse el cárter, el imán permanece sin moverse. Se crea
un movimiento relativo en el campo magnético y la bobina provoca una corriente que
está en proporción a la velocidad del movimiento. Es auto generador no necesita de
aditamentos electrónicos para funcionar. Posee una impedancia de salida eléctrica
baja, que lo hace casi insensible a la inducción del ruido.
Otros sensores están hechos de una bobina móvil colocada fuera de un imán
estacionario. El Velómetro, es de todos ellos el mejor en todos los aspectos. Se hacen
con un acelerómetro y lleva un integrador electrónico incluido.
Algunos sensores de velocidad están hechos con una bobina móvil fuera de un imán
estacionario. El principio de operación es el mismo. Un otro tipo de transductor de
velocidad consiste en un acelerómetro con un integrador electrónico incluido. Esta
unidad se llama un Velómetro y es en todos los aspectos superiores al sensor de
velocidad
sísmico
clásico.
El sensor de velocidad fue uno de los primeros transductores de vibración, que fueron
construidos. Consiste de una bobina de alambre y de un imán colocado de tal manera
que si se mueve el carter, el imán tiende a permanecer inmóvil debido a su inercia. El
movimiento relativo entre el campo magnético y la bobina induce una corriente
proporcional a la velocidad del movimiento. De esta manera, la unidad produce una
señal directamente proporcional a la velocidad de la vibración. Es autogenerador y no
necesita de aditamentos electrónicos acondicionadores para funcionar. Tiene una
impedancia de salida eléctrica relativamente baja que lo hace relativamente insensible
a
la
inducción
del
ruido.
Aun tomando en cuenta estas ventajas, el transductor de velocidad tiene muchas
desventajas, que lo vuelven casi obsoleto para instalaciones nuevas, aunque hoy en
día todavía se usan varios miles. Es relativamente pesado y complejo y por eso es
caro, y su respuesta de frecuencia que va de 10 Hz a 1000 Hz es baja. El resorte y el
imán forman un sistema resonante de baja frecuencia, con una frecuencia natural de
10 Hz. La resonancia tiene que ser altamente amortiguada, para evitar un pico
importante en la respuesta a esta frecuencia. El problema es que la amortiguación en
cualquier diseño práctico es sensible a la temperatura, y eso provoca que la respuesta
de frecuencia y la respuesta de fase dependan de la temperatura.
Sensores de Conductividad
La
opción
para
líquidos
muy
densos
o
semi-sólidos
Los interruptores de conductividad ofrecen las mismas funciones que nuestros
interruptores de boya pero con la ventaja de no tener piezas móviles. Al no tener
piezas móviles, estos interruptores se pueden usar en muchos entornos en los que un
interruptor de boya se engancharía o no funcionaría en absoluto.
El funcionamiento de estos interruptores no se verá interrumpido ni siquiera en líquidos
conductores semi-sólidos como los del sector alimentario o los lodos industriales, ni en
líquidos muy densos como las aguas residuales. Suministra un controlador básico con
el M3784 que satisfará una amplia gama de aplicaciones. Dado que la conductividad
varía considerablemente de un líquido a otro, la sensibilidad del controlador es
ajustable para distintos líquidos. La unidad sólo necesita una cantidad de corriente
extremadamente pequeña para funcionar. Como con cualquier otro dispositivo, un
sistema adecuadamente instalado y conectado atierra no supone ningún riesgo
eléctrico.
Sensores de PH
El pH-metro es un sensor utilizado en el método electroquímico para medir el pH de
una disolución.
La determinación de pH consiste en medir el potencial que se desarrolla a través de
una fina membrana de vidrio que separa dos soluciones con diferente concentración
de protones. En consecuencia se conoce muy bien la sensibilidad y la selectividad de
las membranas de vidrio delante el pH.
Una celda para la medida de pH consiste en un par de electrodos, uno de calomel (
mercurio, cloruro de mercurio) y otro de vidrio, sumergidos en la disolución de la que
queremos medir el pH.
La varita de soporte del electrodo es de vidrio común y no es conductor, mientras que
el bulbo sensible, que es el extremo sensible del electrodo, está formado por un vidrio
polarizable (vidrio sensible de pH).
Se llena el bulbo con la solución de ácido clorhídrico 0.1M saturado con cloruro de
plata. El voltaje en el interior del bulbo es constante, porque se mantiene su pH
constante (pH 7) de manera que la diferencia de potencial solo depende del pH del
medio externo.
El alambre que se sumerge al interior (normalmente Ag/AgCl) permite conducir este
potencial hasta un amplificador.
2.8 Criterios para la selección de un sensor.
Seleccionar un sensor puede ser muy sencillo y algunas veces difíciles, pero, siempre
el objetivo es de hacerlo bien. Esto es porque por que los sensores, especialmente
para uso científico o para ingeniería, pude significar la diferencia entre mediciones
repetibles o números disparados. El objetivo es medir con exactitud y con
incertidumbre aceptables.
Al elegir un sensor debemos de tomar en cuenta los siguientes criterios:
*Alcance de medición
*Exactitud del producto
*Condiciones bajo la cual la medición debe ser realizada.
*Ventajas y desventajas del sensor.