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Automatización I
Instrumentación
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Objetivos
Identificar los principios básicos utilizados en los sensores comúnmente conocidos
Clasificar los sensores de acuerdo a ciertos parámetros
Conocer las características de funcionamiento de los sensores
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Conceptos básicos
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Introducción
Para que un sistema electrónico pueda controlar un proceso es necesario que reciba al información de determinadas variables físicas del mismo, que en su mayoría no son eléctricas.
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Definición
Un sensor es todo dispositivo que tiene algún parámetro que es función del valor de determinada variable física del medio en el cual está situado
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Componentes básicos de un sensor
Elemento sensorCircuito electrónico de
acondicionamiento de la señal
Señal eléctrica
Variable física
Señal eléctrica normalizada
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Transducción capacitiva
Los elementos de transducción capacitiva convierten un cambio de la magnitud a medir en un cambio de capacidad. El cambio de capacidad puede producirse por: La variación de la distancia de las placas El cambio del material dieléctrico entre las placas
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Transducción inductiva
Los elementos de transducción inductiva convierten un cambio de la magnitud en un cambio en la autoinductancia de un devanado único, provocado por el movimiento del núcleo ferromagnético
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Transducción electromagnética
Los elementos de transducción electromagnética convierten un cambio de la magnitud a medir en un tensión inducida en un conductor, debido a un cambio en el flujo magnético en ausencia de excitación
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Transducción piezoeléctrica
Los elementos de transducción piezoeléctrica convierten un cambio en la magnitud a medir en un cambio en la tensión generada por ciertos materiales cuando se encuentran sometidos a un esfuerzo mecánico
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Transducción resistiva
Los elementos de transducción resistiva convierten un cambio en la magnitud a medir en un cambio en la resistencia debido a diversos medios como calentamiento, enfriamiento, esfuerzo mecánico, humidificación de sales eléctrolíticas.
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Clasificación de sensores
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Según funcionamiento
Activos Piezoeléctricos Fotoeléctricos Termoeléctricos Magnetoeléctricos
Pasivos Resistivos Capacitivos Inductivos
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Según señal que generan
Analógicos
Digitales
Temporales
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Según rango de valores
Sensores de medida
Sensores “on-off”
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Según nivel de integración
Sensores discretos
Sensores integrados
Sensores inteligentes
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Según variable física medida
Presión Temperatura Humedad Fuerza Aceleración Velocidad Caudal Presencia y/o posición de objetos Nivel de sólidos o líquidos Desplazamiento de objetos Químicos
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Características de funcionamiento
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Características estáticas
Las características estáticas describen el comportamiento del sensor en unas condiciones ambientales determinadas, con cambios muy lentos en la magnitud a medir y en ausencia de condiciones externas duras
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Precisión
La precisión define su categoría o clase y en general depende del principio de transducción utilizado y del tipo de magnitud a medir
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Calibración
Procedimiento mediante el cual se ajusta la salida de un sensor o equipo sobre su rango completo de medida, de forma que coincida al máximo posible con una serie de valores conocidos derivados de los patrones de medida correspondientes a la magnitud a medir
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Histéresis
Salida
Entrada
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Linealidad
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Repetibilidad
Representa la capacidad de un sensor para proporcionar los mismos valores de salida cuando se le aplica consecutivamente el mismo valor de la magnitud a medir, bajo las mismas condiciones y en la misma dirección
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Umbral
Es el cambio más pequeño de la magnitud de entrada que produce un cambio medible en la salida
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Resolución
Se define como el cambio o escalón más pequeño de la salida cuando la magnitud a medir varía continuamente dentro del rango de funcionamiento.
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Sensibilidad
Representa la variación de la señal de salida del sensor cuando se produce un cambio del valor de la magnitud a medir. Activos [Magnitud eléctrica/magnitud física] Pasivos [Salida a escala/Tensión de
alimentación]
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Características dinámicas
Especifican la respuesta del sensor al variar la magnitud a medir. Con el fin de definir cuantitativamente las características de respuesta dinámica de un sensor industrial, se estudia la forma de onda de la señal de salida
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Respuesta en frecuencia
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Tiempo de respuesta
Se define como el tiempo transcurrido desde que se aplica una cambio en escalón de la magnitud a medir hasta que la salida alcanza un porcentaje determinado de su valor final y se denomina tr
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Tiempo de subida
Determina el intervalo comprendido entre el instante en que la señal alcanza el 10% de su valor final y aquel en que alcanza el 90%, como resultado de un cambio en escalón en la magnitud de entrada, y se denomina ts
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Constante de tiempo
Simbolizado por , representa un caso particular del tiempo de respuesta y se define como el tiempo necesario para que la salida alcance el 63% de su valor final cuando se le aplica una señal en escalón
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Amortiguamiento
Es la diferencia entre el valor de pico de la señal de salida y su amplitud final, y suele expresarse en porcentaje de esta amplitud.
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Seleccionando un sensor
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Seleccionando un sensor
Medio Costo Precisión Rango Salida
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Instrumentación para automatización
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Justificación
Es necesario poder recolectar datos del proceso y su estado actual con el fin de que el autómata pueda seguir la secuencia pre-establecida en base a esta información.
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Proceso - Autómata
Autómata
Actuadores
Sensores
Proceso
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Sensores
Permiten identificar y establecer el estado actual de ciertas variables decisivas en el automatismo. Los necesarios en el área de automatización entregarán un señal discreta (on-off) o análoga de acuerdo a la variable y a las necesidades de medición.
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Razones de un sensor
Seguridad Estado de una variable Mandos Confirmaciones
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Fin de carrera
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Botones y pulsadores
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Fotocelda
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Encoder
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Termocupla
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PT100
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Nivel
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R-Shunt
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Actuadores
Cuando el autómata reconoce el estado actual de proceso, toma decisiones de acuerdo al secuenciamiento pre-configurado y ejerce acciones sobre el sistema a través de los actuadores
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Relé
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Variadores de frecuencia
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PWM
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Relé de estado sólido
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Conclusiones
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Conclusiones
A la hora de seleccionar un sensor adecuado es necesario tener en cuenta las características del dispositivo y su efecto en el proceso
En el campo de la ingeniería, es necesario explorar los diferentes principios que gobiernan la transducción, con el fin de proponer soluciones adecuadas en el área de instrumentación