Sensores y acondicionadores de señal: conceptos y efectos físicos

Caso práctico de Sensores y Acondicionadores

Adrián trabaja en una empresa de montajes eléctricos industriales y ha decidido matricularse en el Ciclo Formativo de Gestión del Agua de la FPaD (Formación Profesional a Distancia) ya que abandonó sus estudios al finalizar bachillerato porque le apetecía trabajar. Ahora busca obtener una titulación aprovechando los conocimientos adquiridos de su experiencia laboral. Tamara es una estudiante del Ciclo Formativo de Automatización y Robótica Industrial, que realizó el módulo de Formación en Centros de Trabajo en una consultoría de ingeniería, al finalizar sus estudios la contrataron debido a que consiguieron un "gran proyecto". El proyecto que han encargado al estudio en el que trabaja Tamara tiene como objeto la actualización de los equipos de medida y la elaboración de un nuevo SCADA para el contol de una planta potabilizadora de agua, procedente de un manantial, para el abastecimiento de un ayuntamiento. Tamara y Adrián son amigos, se conocieron en el instituto y ahora van a estudiar juntos de nuevo, pero esta vez a distancia, para adquirir conocimientos en las tecnologías de Gestión del Agua y así poder ser más resolutivos en sus respectivos trabajos. Tamara, como ya tiene cierta experiencia en la gestión de proyectos, será una de las responsables de coordinar a los diversos suministradores que se subcontraten desde su empresa para poder llevar a cabo el proyecto, ya que en este deberán participar empresas con conocimientos en diversas tecnologías.

En cualquier proceso de control y regulación es necesario medir magnitudes físicas, químicas o biológicas. Esta medición será procesada y convertida en señal eléctrica (fácilmente tratable). De todo esto surgen los sensores, transductores, acondicionadores y transmisores.

Definición de Sensor

Elemento que se encuentra en contacto directo con el proceso a medir. Convierte la magnitud física a medir en otra (eléctrica o no) que posteriormente el transductor es capaz de convertir en una señal susceptible de medida. La señal física puede ser temperatura, caudal, nivel, velocidad, aceleración, fuerza, etc. La señal del sensor puede ser tensión, intensidad, resistencia, tiempo, frecuencia, etc.

Sensor y Sonda

Sensor Sonda Licencia: CC BY-NC-SA Los sensores suelen estar protegidos por vainas metálicas a la que se le pone unos bornes de conexión. Este conjunto se llama sonda.

Acondicionador de Señal

Debido a que la señal de salida del sensor, normalmente, no tiene las características apropiadas para su medida directa, se adecua la señal por medio de un acondicionador (amplificación, conversión, linealización, filtraje, compensación de perturbaciones, etc.). Esto se realiza con Amplificadores Operacionales (A.O.). El acondicionador convierte la señal del sensor en una señal de tensión o intensidad normalizada. Señal normalizada de tensión es la de 0 a 10V. Señal normalizada de intensidad es la de 4 a 20mA. Estas son las más utilizadas, pero nos podemos encontrar con otras. ... Licencia: CC BY-NC-SAGOBIERNO DE ESPAÑA MINISTERIO DE EDUCACIÓN Y FORMACIÓN PROFESIONAL Ministerio de Educación y Formación Profesional. (Dominio público) Materiales formativos de FP Online propiedad del Ministerio de Educación y Formación Profesional.

Características de los Sensores

Aviso Legal1 .- Características de los sensores Caso práctico Adrián: "¿Para qué vamos a proyectar el sistema de control de la planta? Tamara: "Para supervisar los parámetros básicos del proceso de la potabilizodora." Adrián: "Entonces tendremos que medir muchas variables." Tamara: "En efecto, lo primero que tenemos que hacer es medir." El comportamiento de un sensor o un aconsicionador se refleja en las hojas de características que da el fabricante. Entre las características más importantes podemos destacar las siguientes:

Campo de Medida

Conjunto de valores de la magnitud medida para los que da señal de salida el dispositivo con una cierta precisión.

Alcance (span)

Es la diferencia entre los valores máximo y mínimo del campo de medida.

Sensibilidad del Sensor

Es la relación entre el incremento producido a la salida del dispositivo y el incremento de la magnitud aplicado a la entrada. Si el sensor es lineal, su sensibilidad será constante en todo su campo de medida. Si no lo es, su sensibilidad dependerá del punto donde se esté efectuando la medida.

Curva Característica

Es la representación gráfica que relaciona la señal obtenida a la salida en función de la magnitud de entrada. Lo ideal es que sea una línea recta (comportamiento lineal) dentro de todo el campo de medida. Sin embargo, la mayoría de los sensores disponibles tienen un comportamiento no lineal en mayor o menor medida.Tensión 10 8 6 4 2 0 -50 40 -30 20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 Temperatura Licencia: CC BY-NC-SA

Resolución de la Medida

Es la mínima variación detectable (a la salida) de la magnitud de entrada.

Error de Medida

Se define como la razón entre el error total y el rango completo de medida. Se suele expresar en tanto por ciento. El error total es la diferencia entre el valor leído y el valor real. Existen errores no atribuibles al transductor, denominados errores sistemáticos. Se pueden producir por vibraciones, caídas de tensión de alimentación, errores en la instalación, errores en la calibración, etc. Existen otro tipo de errores, los cuales dependen del comportamiento del transductor tales como:

• Error de cero (offset): se produce cuando la magnitud a medir es nula y la señal proporcionada por el transductor no lo es.
• Error de linealidad: cuando la curva característica no es una linea recta.
• Error de Histeresis: ocurre cuando la característica del transductor, obtenida dando valores crecientes no coincide con la obtenida dando valores decrecientes.
• Error de Repetibilidad: cuando en un transductor se realiza una misma medida múltiples veces, en iguales condiciones, puede ocurrir que la señal de salida del mismo sea diferente.

Precisión (Error combinado)

Precisión (Error combinado): es el valor cuadrático medio de los errores de linealidad, histéresis y repetibilidad. Se mide en tanto por ciento sobre el fondo de escala. Precisión=\(Error de linealidad) + (Histeresis) +(Repetibilidad)" 0 2

Respuesta Temporal

Es interesante especificar la respuesta temporal del transductor a un escalón. Nos da una idea de cuanto tiempo le cuesta al transductor medir bien la magnitud física.

Condiciones de Trabajo

Es necesario especificar las condiciones de trabajo de un transductor tales como humedad, vibraciones, ruido, interferencias electromagnéticas, temperaturas, presiones, etc., para su correcto funcionamiento.

Ejercicio Resuelto: Sensor de Presión MPX2200AP

Ejercicio Resuelto Mirar en Internet las características de sensor de presión mpx 2200ap y deducir las siguientes características:

• Campo de medida;
• / Alcance;
• ¥ Sensibilidad;
• ¥ Curva característica; Error de linealidad; Histéresis por variación de presión;
• ¥ Salida deseada; Tiempo de respuesta; Condiciones de trabajo. Mostrar retroalimentación Campo de medida: 0 a 200 Kilopascales Alcance (span): 200 kPa Sensibilidad: 0.2 mV/kPa Curva característica: mV/kPa 50 40 30 20 10 0 60 80 100 120 140 160 180 200 Licencia: CC BY-NC-SA Error de linealidad: ±0,25 %VFSS Error de Histéresis: ±0,1 %VFSS Tiempo de respuesta: 1 mSeg Condiciones de trabajo: Presión máxima 800 kPa, Temperatura entre -40 y 125℃

Efectos Físicos en Transductores

2 .- Efectos físicos utilizados en los transductores Caso práctico Tamara: ¿ Recuerdas en qué se basan los diferentes sensores para captar las diferentes magnitudes físicas ?. No estaría mal dar un repaso a estas nociones básicas, para tener una idea del funcionamiento interno de los mismos. Adrian: Si, nos vendrá bien conocer su funcionamiento interno.

Efecto Piezoeléctrico

A determinados cristales sometidos a una presión, experimentan un cambio en su estructura cristalina que modifica su distribución de carga, manifestándose externamente como una tensión eléctrica. Voltaje Presión V Cristal de cuarzo T Presión Licencia: CC BY-NC-SA

Efecto Resistivo

La resistencia eléctrica (R) de un material conductor es directamente proporcional a su longitud y su resistividad e inversamente proporcional a su sección. Por lo tanto, si a un conductor le aplicamos una fuerza sufre variaciones en sus dimensiones (longitud y sección) y por tanto en su resistencia.PRESION Fuelle Cápsula Potenciómetro Muelle recuperador -0 Licencia: CC BY-NC-SA

Efecto Capacitivo

La capacidad de un condensador (C) depende de las dimensiones del mismo y del material dieléctrico entre sus placas. Si se hace variar alguna de estas características en función de alguna medida se obtienen diferentes capacidades (efecto capacitivo). A C = 8- d Placas C es la capacidad, en faradios; Dieléctrico A es el área de las placas, en metros cuadrados; ¿ es la permitividad; d es la separación entre las placas, en metros. Licencia: CC BY-NC-SA

Efecto Inductivo

El coeficiente de autoinducción de una bobina (L) depende de su forma constructiva y de la naturaleza del núcleo. Si hacemos que éste cambie de posición en función de la medida tomada, cambiará el valor de L. N L= IN'S 1 + BATERIA Licencia: CC BY-NC-SA

Efecto Reluctivo

La reluctancia es la "Resistencia" al paso del campo magnético en un circuito magnético. Si alguna magnitud física hace variar la reluctancia, este cambio de magnitud se puede cuantificar en función del cambio de la reluctancia.Presión Armadura magnética móvil Flujo magnético Licencia: CC BY-NC-SA

Efecto Fotovoltaico

Ciertos materiales semiconductores sensibles a la luz son capaces de cambiar sus condiciones eléctricas en función de la radiación incidente (fotodiodos y fototransistores). Mcmartin (Dominio público)

Efecto Termoeléctrico

Si la unión de dos materiales metálicos distintos se calientan, se genera en los extremos del mismo una tensión que es proporcional a la temperatura. Alambre de hierro Unión de dos metales diferentes Alambre de cobre Fuente de calor Voltimetro Luis María Benítez (CC BY-SA)

Efecto Radiactivo

Existen materiales (naturales o artificiales) que emiten radiación (a, b y g). Ésta radiación se puede medir con un detector radiactivo y si entre éste y el emisor se coloca un objeto, se produce una absorción de radiación por parte del objeto. Estudiando esta absorción de radiación se pueden determinar características del objeto (nivel, grosor, composición, humedad, etc.).