medición eléctrica de magnitudes no eléctricas · mediciones eléctricas ii - departamento de...
TRANSCRIPT
Mediciones Eléctricas II - Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica - Facultad de Ingeniería - UNMdP
Agosto de 2017
Mediciones Eléctricas II (3D2)
Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica – Facultad de Ingeniería – UNMdP
(Cursada 2018)
Medición Eléctrica de Magnitudes No Eléctricas
Mediciones Eléctricas II - Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica - Facultad de Ingeniería - UNMdP
2 2018
• A los fines de esta asignatura definiremos a un “convertidor de medida” como un
dispositivo que transforma una señal de entrada (una magnitud física como temperatura,
fuerza, velocidad, etc) en una salida eléctrica relacionada con aquella inequívocamente.
Medición Eléctrica de Magnitudes No Eléctricas
Magnitud Física a Medir
Sensor Transductor Eléctrico
Acondicionador Señal Eléctrica Acondicionada
▪ Temperatura
▪ Presión,
▪ Distancia,
▪ etc
Es el elemento que responde
directamente a la magnitud física con la variación
de algún parámetro.
Son los elementos que transforman la
variación de algún parámetro eléctrico en otra señal eléctrica
Estandarizan la salida eléctrica a
valores adecuados. (linealizan, filtran,
amplifican, convierten, etc.)
ON/OFF
Analógica.
▪ (0-10V)
▪ (4-20mA)
Digital.
▪ PWM
▪ RS485
▪ Ethernet
Modbus.etc
Convertidor de medida
Magnitud Física a Medir
Transductor Acondicionador Señal Eléctrica Acondicionada
Convertidor de medida
Transforma la variación de algún parámetro no eléctrico en una señal
eléctrica
O bien:
Mediciones Eléctricas II - Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica - Facultad de Ingeniería - UNMdP
Medición Eléctrica de Magnitudes No Eléctricas
Características principales de los convertidores de medida:
I) Campo de medida o rango: Conjunto de valores de medida entre el
límite inferior y límite superior que puede medir.
a) Unidireccional (0 a 10 psi; 0 a 50 gr; etc)
b) Bidireccional asimétrico: (-1 a 10 gr; -10°C a + 20°C)
c) Expandido: (80 a 100 psi; 15 gr a +25gr; 3200 a 3800 rpm)
II) “Span” o Alcance:
Diferencia algebraica entre los valores SUPERIOR a INFERIOR del campo
de medida.
-2gr 10gr0 gr
Span
Span = Alcance = 12gr
80°C 100°C
Span
Span = Alcance = 20°C
Mediciones Eléctricas II - Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica - Facultad de Ingeniería - UNMdP
4 2018
III) Excitación: Energía para funcionamiento (valores, requerimiento de potencia)
IV) Salida (output): En forma analógica o digital compatible con el resto del
sistema
V) Impedancia de salida: Zsal alta Transductor no aconsejado.
Zsal lo más baja posible para que se pueda conectar
“una carga”.
VI) Sensibilidad: Debe ser suficiente para detectar cambios significativos
Magnitud del parámetro
Amplitud
(información
de salida)parámetro del valor del variaciónde Amplitud
salida den informació la de variaciónde AmplitudS
Ejemplo: 100mV/ bar
Medición Eléctrica de Magnitudes No Eléctricas
Características principales de los convertidores de medida:
Mediciones Eléctricas II - Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica - Facultad de Ingeniería - UNMdP
5 2018
VII) Linealidad e Histéresis: errores
n
ymx
b
k
n
k
n
112
11
2
111
k
n
k
n
k
n
k
n
k
n
xyn
yxxyn
m
Recta de regresión y=mx+b
Y= salida
M= pendiente
X= magnitud medida
B= ordenada al origen
n = Nº de pares de puntos (21 en el ejemplo)
k = Nº de valores de la magnitud (11 en el ejemplo)
Medición Eléctrica de Magnitudes No Eléctricas
Características principales de los convertidores de medida:
Mediciones Eléctricas II - Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica - Facultad de Ingeniería - UNMdP
6 2018
VIII) Respuesta en Frecuencia: debe ser capaz de responder a la velocidad
máxima de cambio en el efecto que se está observando
Cambio de la relaciónparámetro delValor
salida de Amplitud para cambios de la frecuencia en la
magnitud física
se especifica : ..% de .. hasta.. Hz Debe ser referido a:
a) Frecuencia específica (nominal)
b) Amplitud de referencia
Medición Eléctrica de Magnitudes No Eléctricas
Características principales de los convertidores de medida:
Ejemplo:
Convertidor A:
Produce variaciones en la amplitud de
referencia de ±5% entre 0 y 300Hz
Convertidor B:
Produce variaciones en la amplitud de
referencia de ±5% entre 10 y 3.5kHz
Mediciones Eléctricas II - Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica - Facultad de Ingeniería - UNMdP
IX) Calibración: El convertidor debe ser fácil de calibrar. El tiempo y los
procedimientos necesarios para llevar a cabo el proceso de calibración deben ser
mínimos. Además, no debe necesitar una recalibración frecuente.
El término desviación se aplica con frecuencia para indicar la pérdida gradual de
exactitud del convertidor que se produce con el tiempo y el uso, lo cual hace
necesaria su recalibración.
Medición Eléctrica de Magnitudes No Eléctricas
Características principales de los convertidores de medida:
calibradores
Mediciones Eléctricas II - Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica - Facultad de Ingeniería - UNMdP
Medición Eléctrica de Magnitudes No Eléctricas
Algunas
Formas de
Clasificación
de los
Transductores
Según si el
sensor necesita
una fuente de
excitación o no
Activos: Emiten energía al hacer la transformación:
Ejemplo: sensor piezoeléctrico, termocuplas, etc.)
Pasivos: No emiten energía para hacer la
transformación (Ejemplo: sensor resistivo, inductivo,
etc.)
Según su
principio de
funcionamiento
Resistivos
Inductivos
Capacitivos
Generadores
De otros tipos: electromecánicos, ópticos, ultrasónicos,
estado sólido, etc
Según la
magnitud que
miden
Desplazamiento
Temperatura
etc.
Según su salida
Todo / Nada (Ejemplo: contactos)
Digital (Ejemplo: encoder)
Analógica (Ejemplo: sensor inductivo 4-20 mA)
Mediciones Eléctricas II - Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica - Facultad de Ingeniería - UNMdP
9 2018
Medición Eléctrica de Magnitudes No Eléctricas
Clasificación
según la
magnitud que
miden
Mediciones Eléctricas II - Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica - Facultad de Ingeniería - UNMdP
10 2018
Medición Eléctrica de Magnitudes No Eléctricas
Clasificación
según la
magnitud que
miden
Mediciones Eléctricas II - Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica - Facultad de Ingeniería - UNMdP
11 2018
Ecuación General:
Tipos de sensores clasificados por su principio:
Medición Eléctrica de Magnitudes No Eléctricas
Al variar “l” y “S”:
- Se mide posición lineal o angular
(ejemplo: potenciómetro)
- Se mide pequeños desplazamientos.
- Se mide deformación.
- Se mide fuerza.
- Se mide presión.
Ejemplo: galgas extensiométricas
1- Detector o sensor resistivo.
Mediciones Eléctricas II - Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica - Facultad de Ingeniería - UNMdP
12 2018
Puentes Utilizados
I) Cuarto de Puente
Tipos de sensores clasificados por su principio:
Medición Eléctrica de Magnitudes No Eléctricas
1- Detector o sensor resistivo.
Puesto que las variaciones de resistencia de los sensores resistivos son normalmente muy pequeñas se
suelen usar circuitos de puente para su medición. Hay tres tipos de puentes utilizados.
0
43
3
2
1
1
1
1
3
'
1
1
1
URR
R
RR
RR
R
RR
UUUa
Si bien se elige R1 = R2 = R3 = R4 debido a
pequeñas variaciones de las mismas, antes de
comenzar la medición el puente se equilibra
con R5 a R7 elegidas de forma tal que no
alteren la sensibilidad del puente.
R1 varía para pequeños valores de R1
R1’= R1 R1=R1(1+ R/R1)
Mediciones Eléctricas II - Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica - Facultad de Ingeniería - UNMdP
13 2018
Puentes Utilizados
I) Cuarto de Puente
Tipos de sensores clasificados por su principio:
Medición Eléctrica de Magnitudes No Eléctricas
1- Detector o sensor resistivo.
Como se usa puente simétrico;
R1=R2=R3=R4=R 0
24
U
R
RR
R
Ua
Si consideramos que R/R= 1%R, luegoR
RUUa
4
0
0
43
3
2
1
1
1
1
3
'
1
1
1
URR
R
RR
RR
R
RR
UUUa
Hay
proporcionalidad
entre la tensión de
desequilibrio y la
variación relativa de
resistencia
Puesto que las variaciones de resistencia de los sensores resistivos son normalmente muy pequeñas se
suelen usar circuitos de puente para su medición. Hay tres tipos de puentes utilizados.
Mediciones Eléctricas II - Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica - Facultad de Ingeniería - UNMdP
14 2018
Puentes Utilizados
II) Semipuente
Tipos de sensores clasificados por su principio:
Medición Eléctrica de Magnitudes No Eléctricas
1- Detector o sensor resistivo.
Antes de comenzar la medición el
puente se equilibra con R5 a R7
elegidas de forma tal que no alteren la
sensibilidad del puente.
Se usan dos resistencias de ramas
adyacentes con variaciones contrarias
R
RRR 11
R
RRR 12 RRR 43
Como se usa puente simétrico;
R1=R2=R3=R4=R
Puesto que las variaciones de resistencia de los sensores resistivos son normalmente muy pequeñas se
suelen usar circuitos de puente para su medición. Hay tres tipos de puentes utilizados.
Mediciones Eléctricas II - Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica - Facultad de Ingeniería - UNMdP
15 2018
0312
11
1
UR
R
R
RR
R
RR
R
RR
UUUa
'
02
UR
RUa
Puentes Utilizados
Tipos de sensores clasificados por su principio:
Medición Eléctrica de Magnitudes No Eléctricas
1- Detector o sensor resistivo.
Puesto que las variaciones de resistencia de los sensores resistivos en muy pequeña se suelen usar
circuitos de puente para su medición. Hay tres tipos de puentes utilizados.
II) Semipuente
Hay proporcionalidad entre la tensión
de desequilibrio y la variación relativa
de resistencia, pero la tensión de
desequilibrio es el doble que en el
cuarto de puente
Mediciones Eléctricas II - Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica - Facultad de Ingeniería - UNMdP
16 2018
Puentes Utilizados
III) Puente Entero
Tipos de sensores clasificados por su principio:
Medición Eléctrica de Magnitudes No Eléctricas
1- Detector o sensor resistivo.
Antes de comenzar la medición el
puente se equilibra con R5 a R7
elegidas de forma tal que no alteren la
sensibilidad del puente.
R
RRRR 141
R
RRRR 132
Se usan cuatros resistencias con
variaciones contrarias
Puesto que las variaciones de resistencia de los sensores resistivos son normalmente muy pequeñas se
suelen usar circuitos de puente para su medición. Hay tres tipos de puentes utilizados.
Mediciones Eléctricas II - Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica - Facultad de Ingeniería - UNMdP
17 2018
Puentes Utilizados
Tipos de sensores clasificados por su principio:
Medición Eléctrica de Magnitudes No Eléctricas
1- Detector o sensor resistivo.
Puesto que las variaciones de resistencia de los sensores resistivos en muy pequeña se suelen usar
circuitos de puente para su medición. Hay tres tipos de puentes utilizados.
III) Puente Entero
Hay proporcionalidad entre la tensión
de desequilibrio y la variación relativa
de resistencia, pero la tensión de
desequilibrio es cuatro veces más que
en el cuarto de puente
0
11
1
11
1
U
R
RR
R
RR
R
RR
R
RR
R
RR
R
RR
Ua
0UR
RUa
Mediciones Eléctricas II - Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica - Facultad de Ingeniería - UNMdP
18 2018
18
Ejemplo Nº 1 de sensor resistivo
Strain Gauge, CEM, Cintas extensiométricas o Transductores de Alargamiento
Aplicaciones
Medición de fuerzas y deformaciones Medición de presiones
Medición de
torsión
Mediciones Eléctricas II - Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica - Facultad de Ingeniería - UNMdP
19 2018
Conceptos básicos de extensiometría
Medición Eléctrica de Magnitudes No Eléctricas
E = módulo de salida elasticidad (Young)
σ = esfuerzo de tracción
ξ = alargamiento relativo
v = coeficiente de Poissón (0.3 para los metales
más usuales)
Mediciones Eléctricas II - Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica - Facultad de Ingeniería - UNMdP
20 2018
El principio de las CEM se basa en 3 premisas:
1) El valor de la resistencia de un conductor es una función de sus características
geométricas.
2) A todo aumento de longitud corresponde una disminución de sección (efecto de
Poisson)
3) La variación de la resistividad es proporcional a la variación relativa del
volumen.
Como consecuencia de esto, se desprende que:
kL
Lk
R
R
; k es el factor de CEM= sensibilidad de la CEM=
L
LR
R
k
k= valor dado por el fabricante con una
tolerancia del 0.5% al 1.5%
k= 2
Transductores de Alargamiento
Medición Eléctrica de Magnitudes No Eléctricas
Mediciones Eléctricas II - Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica - Facultad de Ingeniería - UNMdP
21 2018
Transductores de Alargamiento
CEM de filamento: Rnom = 60 a 1000 ohm
Tolerancia= 1%
CEM de láminas: Rnom = 120 a 600ohm.
L=4mm a 21mm
Medición Eléctrica de Magnitudes No Eléctricas
Mediciones Eléctricas II - Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica - Facultad de Ingeniería - UNMdP
22 2018
Influencia de la temperatura.
Debido al caldeo y deformación= -15m/km a +15m/km no se corrige por
cálculos se utilizan circuitos de compensación.
Ejemplos de compensación de la temperatura.
CEM activas: captan la
deformación
CEM pasivas: no captan la
deformación
Transductores de Alargamiento
Medición Eléctrica de Magnitudes No Eléctricas
Mediciones Eléctricas II - Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica - Facultad de Ingeniería - UNMdP
23 2018
Influencia de la temperatura.
Debido al caldeo y deformación= -15m/km a 15m/km no se corrige por
cálculos se utilizan circuitos de compensación.
Ra y Rb= resistencias para
equilibrio
Transductores de Alargamiento
Medición Eléctrica de Magnitudes No Eléctricas
Mediciones Eléctricas II - Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica - Facultad de Ingeniería - UNMdP
24 2018
Caso I: Barra prismática de eje recto sometida a tracción simple.
Primer montaje: 1 CEM activa alineada en la dirección de la fuerza
Circuito: ¼ de puente
Condición de equilibrio en ¼ de puente:0
24
U
R
RR
R
Ua
kR
R
R
R
kL
L
1
Si expresamos en términos de deformación:
k
kUa
24
No Existe compensación de la temperatura Salida NO LINEAL
0
24
U
R
RR
R
Ua
A) Transductores de Alargamiento
Medición Eléctrica de Magnitudes No Eléctricas
Mediciones Eléctricas II - Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica - Facultad de Ingeniería - UNMdP
25 2018
Caso II: Idem Caso I pero con 2 CEM activas en ramas adyacentes
CEM 1: Alineada en la dirección de la fuerza
CEM 2: Alineada en forma perpendicular a la
fuerza, acusando el efecto de Poisson
CIRCUITO: ½ Puente (Semipuente)
Condición de equilibrio inicial:CEM
1=CEM 2= R3=R4=R
Variación en la CEM 1= R+R
Variación en la CEM 2= R-vR
00)1(24
)12(
2
1U
vRR
vRUU
RvRRR
RRU aa
0)1(24
)1(U
vk
vkUa
Existe compensación de temperatura.
Respuesta NO LINEAL.
Transductores de Alargamiento
Medición Eléctrica de Magnitudes No Eléctricas
Mediciones Eléctricas II - Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica - Facultad de Ingeniería - UNMdP
26 2018
Caso III: Ídem Caso I y II pero con 4 CEM
Puente completo.
Variación de CEM 1:R+R
Variación de CEM 2:R-vR
Variación de CEM 3:R+R
Variación de CEM 4:R-vR
Cond. Equilibrio: CEM 1=CEM 2=CEM 3=CEM 4= R
0
021
)1(2
)1(U
vRR
vRU
URvRRR
RvR
RvRRR
RRUUU
a
a
Si R=kR0
12
1U
vk
vkUa
)(
)(
Hay compensación de temperatura pero la
función no es lineal.
vv
Transductores de Alargamiento
Medición Eléctrica de Magnitudes No Eléctricas
Mediciones Eléctricas II - Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica - Facultad de Ingeniería - UNMdP
27 2018
Caso IV: Barra prismática de eje recto sometida a flexión simple.
En este caso se producen esfuerzos iguales y opuestos, la superficie convexa está
sometida a tracción mientras que la superficie cóncava lo está a la compresión.
Fibras comprimidas
Fibras Neutras
F
Fibras traccionadas
Puente
completoR
RkU
R
RUUa
00
0UkUa Respuesta lineal
Compensación de Temperatura
Transductores de Alargamiento
Medición Eléctrica de Magnitudes No Eléctricas
Mediciones Eléctricas II - Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica - Facultad de Ingeniería - UNMdP
28 2018
Problema:
Se trata de medir el alargamiento =1mm/m= 10-3=1% sobre una superficie de acero
con una CEM activa. La CEM a ser utilizada tiene una R1 =300 , una Iadm=10mA
y una sensibilidad al alargamiento K=2. Calcular Ua.
Solución: Se adopta ¼ de puente; simétrico con R1=R2=R3=R4=300
3
0 1024
xkR
RU
R
RUa y
Si Iadm=10mA U0Adm=2RIAdm=2x300 *10-2A=6V
Luego, mVxV
Ua 34
10263
*
Transductores de Alargamiento
Medición Eléctrica de Magnitudes No Eléctricas
Mediciones Eléctricas II - Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica - Facultad de Ingeniería - UNMdP
29 2018
29
Ejemplo Nº 2 de sensor resistivo
RTD o Detector de Temperatura Resistivo
Aplicaciones
Níquel
(-150 ºC y 300 ºC)
Platino
(-200 ºC y 900 ºC)Cobre
(-200 ºC y 120 ºC)
Mediciones Eléctricas II - Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica - Facultad de Ingeniería - UNMdP
30 2018
Son detectores pasivos.
Material: Hilo de níquel, platino o cobre
Resistencias nominales: Rn=100 Ohm (Especiales: Rn=50 Ohm)
Uso: Medición de temperatura / protección / control.
Principio.
Las sondas RTD tienen:
1) Relación casi lineal entre la resistencia y la temperatura
2) muy alto Buena sensibilidad
3) Estabilidad con el tiempo
4) Repetibilidad.
Rt= R0(1+ At+ Bt2+C(t-100) 3) aproximadamente Rt=(1+ t) para t<100ºC
Α, B, C: Coeficientes de Callendar-Van Dussen
Ro: Resistencia en Ohm a 0°C
Rt: Resistencia en Ohm a “t ºC”
RTD o Detector de Temperatura Resistivo
Medición Eléctrica de Magnitudes No Eléctricas
Son costosas
Mediciones Eléctricas II - Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica - Facultad de Ingeniería - UNMdP
31 2018
Sondas de platino y níquel.
=°C -220 -60 0 100 150 180 500 550 850
Ni 100 69.5 100 161.7 198.7 223.1
Pt 100 10.41 100 138.5 157.32 167.47 280.93 297.3 390.38
Con Pt= -150 a 200°C. Exactitud: 0.01°C. caras
R0= 100 Ohms a 0°C= Denominación DIN 34760
Medición Eléctrica de Magnitudes No Eléctricas
Ni100= 100 Ohms a 0°C
Pt100= 100 Ohms a 0°C
RTD o Detector de Temperatura Resistivo
Mediciones Eléctricas II - Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica - Facultad de Ingeniería - UNMdP
32 2018
Hasta 400m 2 conductores
Más de 400m 3 o 4 conductores
Medición Eléctrica de Magnitudes No Eléctricas
RTD o Detector de Temperatura Resistivo
Mediciones Eléctricas II - Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica - Facultad de Ingeniería - UNMdP
33 2018
33
Ejemplo Nº 3 de sensor resistivo
TermistorAplicaciones
(temperatura < 450ºC)
Uso en electrónica
Uso en la industria
Mediciones Eléctricas II - Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica - Facultad de Ingeniería - UNMdP
34 2018
Termistores: semiconductor hecho de dos óxidos metálicos unidos dentro de una
pequeña bola, disco u otra forma, y recubierto con epóxido o vidrio.
1) Mayor sensibilidad que la sonda de Pt
2) Poca linealidad
3) Se usan circuitos para linealización
4) Valores Límite: 150°C a 450°C
5) Sensibilidad < 0.1 °C
6) Respuesta más rápida.
7) Permite conexión de 2 hilos
8) Utilización: control, protección y medición
a) Puentes de CC
b) Circuitos electrónicos
Dos clases:
PTC: Coeficiente positivo de temperatura
(Su resistencia aumenta con la temperatura)
NTC: Coeficiente negativo de temperatura
(Su resistencia Disminuye con la temperatura)
Medición Eléctrica de Magnitudes No Eléctricas
Mediciones Eléctricas II - Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica - Facultad de Ingeniería - UNMdP
35 2018
l
ANNNL
222
2- Detector o sensor inductivo.
Medición Eléctrica de Magnitudes No Eléctricas
Ecuación General:
Al variar , “µ”, “l” , “A” o una combinación de ellos::
- Se mide pequeños desplazamientos (ejemplo: LVDT).
- Se mide esfuerzos de compresión (ejemplo: detectores magnetoelásticos)
- Se mide ángulos (ejemplo: Sincros)
Conductancia magnética:
Reluctancia magnética:
Número de espiras:N
Permeabilidad:
Sección transversal:A
Longitud del circuito magnético:l
""
Tipos de sensores clasificados por su principio:
Mediciones Eléctricas II - Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica - Facultad de Ingeniería - UNMdP
36 2018
36
Ejemplo N º 1 de sensor inductivo
LVDT o Transformador diferencial de Variación Lineal
Aplicaciones
Medición de fuerzas y deformaciones
Medición de pequeñas distancias
Medición de espesores, dilataciones
Medición de presiones
Mediciones Eléctricas II - Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica - Facultad de Ingeniería - UNMdP
37 2018
Transformadores Diferenciales (LVDT)
Medición Eléctrica de Magnitudes No Eléctricas
Mediciones Eléctricas II - Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica - Facultad de Ingeniería - UNMdP
38 2018
Transformadores Diferenciales (LVDT)
Medición Eléctrica de Magnitudes No Eléctricas
Mediciones Eléctricas II - Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica - Facultad de Ingeniería - UNMdP
39 201839
Detección de objetos rápida, sin mantenimiento y resistente
al desgaste.
Objetos metálicos dentro de la zona activa.
Ppio. de Funcionamiento:
Los sensores de proximidad inductivos se utilizan principalmente en los procesos de automatización como finales de carrera, para medir distancias, posición, velocidad y contaje.
Ejemplo N º 2 de sensor inductivo
Por variación de permeabilidad
Mediciones Eléctricas II - Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica - Facultad de Ingeniería - UNMdP
40 2018
placas der Condensado01 d
AC
3- Detector o sensor capacitivo (elemento pasivo).
Medición Eléctrica de Magnitudes No Eléctricas
Constante dieléctrica relativa:1
Constante dieléctrica del aire:0
Superficie de placa:A
Separación entre placas:d
Al variar “ξ” , “A”, “d” o una combinación de ellos:
- Se mide nivel de llenado de tanques (ejemplo: en silos).
- Se mide desplazamientos
- Se mide ángulos.
Tipos de sensores clasificados por su principio:
Ecuación General:
Mediciones Eléctricas II - Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica - Facultad de Ingeniería - UNMdP
41 201841
Detección de objetos rápida, sin mantenimiento y resistente
al desgaste.
Objetos metálicos y no metálicos. Son muy similares a los
sensores inductivos, excepto por la estructura del oscilador
Ppio. de Funcionamiento:
Cuando un objeto no metálico entra al campo eléctrico delcabezal de detección, el campo eléctrico entre las placas seintensifica debido a que la constante dieléctrica del objetoes mayor que la del aire. Por tanto, la capacitancia aumenta.En el caso de un objeto metálico, este último debilita elcampo eléctrico entre las placas, actuando como un tercerelectrodo y formando dos condensadores en serie. Comoresultado, la capacitancia disminuye. En ambos casos, elefecto neto es la variación de la frecuencia del oscilador.Este cambio es detectado por el demodulador y convertidopor el conformador en un nivel alto o bajo adecuado paradisparar el transistor de salida y energizar la carga.
Ejemplo N º 1 de sensor capacitivo
Por variación de campo capacitancia
d
AC 01
Mediciones Eléctricas II - Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica - Facultad de Ingeniería - UNMdP
42 2018
Medición Eléctrica de Magnitudes No Eléctricas
4- Detectores o Sensores Generadores
Tipos de sensores clasificados por su principio:
Serían aquellos detectores o sensores que generan algún tipo de energía
a partir de la magnitud que se mide, es decir son sensores activos.
Podríamos citar entre otros:
• Termocuplas.
• Sensores piezoeléctricos.
• Generadores de CC.
• Sensores de flujo de turbina
Mediciones Eléctricas II - Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica - Facultad de Ingeniería - UNMdP
43 2018
43
Ejemplo Nº 1 de sensor activo
TermocuplasAplicaciones
(temperaturas altas)
Mediciones Eléctricas II - Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica - Facultad de Ingeniería - UNMdP
44 2018
Termocuplas
Medición Eléctrica de Magnitudes No Eléctricas
Ppio. de Funcionamiento: Unión Bimetálica + Aumento de Temperatura = Tensión de Seebeck)
Autogeneradora de potencia Coeficiente de Seebeck
Económicas y fáciles de construir
Pequeños cambios de temperatura →
Desventajas:
Grandes cambios de temperatura: → Alineal!
Requiere voltimetros de gran sensibilidad / acondicionamiento de la señal
Tensión de Seebeck no puede ser medida directamente (Necesidad de Junturas de Referencia)
Conversión Tensión → Temperatura: Tablas de Fabricante ó Curvas Tensión vs Temperatura al ser no lineal
y mas…
Mediciones Eléctricas II - Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica - Facultad de Ingeniería - UNMdP
45 2018
Termocuplas
Medición Eléctrica de Magnitudes No Eléctricas
Grandes cambios de temperatura: → Alineal!
Mediciones Eléctricas II - Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica - Facultad de Ingeniería - UNMdP
46 2018
Termocuplas
Medición Eléctrica de Magnitudes No Eléctricas
Tensión de Seebeck no puede ser medida directamente pues se necesita saber la temperatura de referencia.
“ Si en un circuito de varios conductores la temperatura es uniforme desde un punto A hasta otro B, la
suma algebraica de todas las FEMS es totalmente independiente de los conductores metálicos
intermedios y es la misma que si se pusieran en contacto directo A y B.”
Para resolver ver problema se puede recurrir a la “ley de los metales intermedios” que establece que:
A C B
t1t1 t1
A B=
Sea:
Termocupla
Puntas de un
voltímetro
Termocupla parasita (Unión de terminales termocupla – voltímetro)
Termocupla parásita
Mediciones Eléctricas II - Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica - Facultad de Ingeniería - UNMdP
47 2018
Termocuplas
Medición Eléctrica de Magnitudes No Eléctricas
El voltaje que nos interesa saber para conocer el valor de la temperatura T es Va,b(T) , este se consigue
despejandolo:
En cualquier caso hace falta saber Va,b(Ta).
• Una opción es medir la temperatura Ta
(llamada temperatura de unión o juntura de
referencia) y entrando en una tabla de
termocuplas encontrar Va,b(Ta) para restárselo
a V y encontrar Va,b(T). Luego otra vez de
tabla encontrar T.
• Otra opción es
sumergir la
unión en un
baño a Ta =
0ºC, entonces
Va,b(Ta) = 0
Tensión de Seebeck no puede ser medida directamente pues se necesita saber la temperatura de referencia.
Mediciones Eléctricas II - Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica - Facultad de Ingeniería - UNMdP
48 2018
Termocuplas
Medición Eléctrica de Magnitudes No Eléctricas
Actuálmente todos los instrumentos modernos miden la temperatura Ta (mediante un sensor de
temperatura adicional ) y la suman para crear la compensación y obtener así la temperatura real.
El punto de empalme (llamado "unión ó juntura de referencia") es siempre en el conector a la entrada
del instrumento pues ahí está el sensor de temperatura Ta. De modo que es necesario llegar con el
cable de la termocupla hasta el mismo instrumento.
Cuando el instrumento está muy retirado del lugar de medición, no siempre es posible llegar con el
mismo cable de la termocupla al instrumento. Esto ocurre especialmente cuando se están usando
termocuplas R, S ó B hechas con aleación de platino de muy alto precio.
La solución de este problema es usar los llamados "cables compensados" para hacer la extensión de la
termocupla. Estos exhiben el mismo coeficiente de Seebeck de la termocupla (pero hechos de otro
material de menor precio ) y por lo tanto no generan termocuplas parásitas en el empalme.
Es importantísimo que estos dós cables
compensados sean para el tipo de termoculpla
que se está usando y además estén conectados
con la polariadad correcta ( + ) con ( + ) y ( - )
con ( - ). De otra forma se obtendrá una
medición con alto error.
Mediciones Eléctricas II - Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica - Facultad de Ingeniería - UNMdP
49 2018
49
Ejemplo Nº 2 de sensor activo
Generador electrodinámico
NlBve Ley de Lenz Se utilizan para medición de velocidad
Al variar “v” si “B” y “N” y “l” permanecen constantes:
- Se mide la velocidad de rotación (ejemplo: generador taquimétrico).
Para longitudes
grandes de
transmisión se
cuentan pulsos en
lugar de medir
tensión
Ecuación General:
Mediciones Eléctricas II - Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica - Facultad de Ingeniería - UNMdP
50 2018
Detector Generador Piezoeléctrico (elemento activo).
Principio:Una vez que se quita el
campo eléctrico las cargas
quedan libres y cuando se
ejerce una presión o
deformación se vuelven a
ordenar generando una
tensión proporcional a la
fuerza aplicada
Al aplicar una fuerza se ordenan las cargas → F → Q → U
- Se mide presión.
- Se mide fuerza.
- Se mide aceleración.
Ejemplo Nº 3 de sensor activo
Mediciones Eléctricas II - Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica - Facultad de Ingeniería - UNMdP
51 2018
Medición Eléctrica de Magnitudes No Eléctricas
6- Detectores o Sensores de Otros Tipos:
Tipos de sensores clasificados por su principio:
Electromecánicos: Ópticos:
De estado sólido:
Ultrasónicos:
Mediciones Eléctricas II - Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica - Facultad de Ingeniería - UNMdP
52 2018
52
Ejemplo Nº 1 de sensor óptico
Los encoders
El encoder es un transductor rotativo, que mediante una señal eléctrica sirve para indicar la posición
angular de un eje, velocidad y aceleración del rotor de un motor.
Un encoder se compone básicamente de un disco conectado a
un eje giratorio. El disco esta hecho de vidrio o plástico y se
encuentra “codificado” con unas partes transparentes y otras
opacas que bloquean el paso de la luz emitida por la fuente de
luz (típicamente emisores infrarrojos). En la mayoría de los
casos, estas áreas bloqueadas (codificadas) están arregladas en
forma radial.
A medida que el eje rota, el emisor infrarojo emite luz que es
recibida por el sensor óptico (o foto-transistor) generando los
pulsos digitales a medida que la luz cruza a través del disco o
es bloqueada en diferentes secciones de este. Esto produce una
secuencia que puede ser usada para controlar el radio de giro, la
dirección del movimiento e incluso la velocidad.
Mediciones Eléctricas II - Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica - Facultad de Ingeniería - UNMdP
53 2018
53
Ejemplo Nº 1 de sensor óptico
Encoder Incremental
Como su nombre lo indica, es un encoder que determina el ángulo de posición por medio de realizar
cuentas incrementales.
Esto quiere decir que el encoder incremental provee una posición estratégica desde donde siempre
comenzará la cuenta. La posición actual del encoder es incremental cuando es comparada con la
ultima posición registrada por el sensor.
Dentro de los encoders incrementales, se encuentran los encoders de cuadratura
Corresponde a un tipo de encoder incremental que utiliza dos sensores ópticos posicionados con un
desplazamiento de 1⁄4 de ranura el uno del otro, generando dos señales de pulsos digitales desfasada
en 90º o en cuadratura. A estas señales de salida, se les llama comúnmente A y B. Mediante ellas es
posible suministrar los datos de posición, velocidad y dirección de rotación del eje. Si se incluye la
señal de referencia, se le denomina I (índice).
Usualmente, si la señal A adelanta a la señal B (la señal A toma valor lógico “1” antes que la señal
B, por ejemplo), se establece el convenio de que el eje está rotando en sentido horario, mientras que
si B adelanta a A, el sentido será antihorario.
Mediciones Eléctricas II - Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica - Facultad de Ingeniería - UNMdP
54 2018
54
Ejemplo Nº 1 de sensor óptico
Encoder absoluto
Está formado por varios discos codificados, que al ser atravesadas por la luz crean un código, en el
ejemplo de la figura correspondería a un código binario, cada posición está representada por un
código único, de manera que el sistema puede saber siempre en que posición se encuentra el motor.
A medida que aumenta la resolución necesitamos aumentar los dígitos del código binario, y por
tanto las coronas del encoder.
Mediciones Eléctricas II - Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica - Facultad de Ingeniería - UNMdP
55 2018
55
Ejemplo Nº 2 de sensor óptico
Codificador lineal
Estos codificadores tienen dos redes en serie; una es la escala que se ubica en la parte fija y la otra
se encuentra en la cabeza lectora móvil.
Hay varios fotodetectores situados detrás de la cabeza lectora que transforman las variaciones de
intensidad óptica del campo de iluminación en señales eléctricas. Cuando hay un desplazamiento
relativo entre la regla y la cabeza lectora, la intensidad total de luz en los fotodetectores varía
periódicamente. Las señales suministradas por los fotodetectores se combinan usando un circuito
electrónico apropiado, dando origen a dos señales eléctricas periódicas que están desfasadas 90º
entre sí. Un periodo de estas señales sinusoidales se corresponde con un desplazamiento igual a un
periodo del grabado básico de la regla