Automatización I

Instrumentación

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

Conceptos básicos

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.

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

Componentes básicos de un sensor

Elemento sensorCircuito electrónico de

acondicionamiento de la señal

Señal eléctrica

Variable física

Señal eléctrica normalizada

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

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

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

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

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.

Clasificación de sensores

Según funcionamiento

Activos Piezoeléctricos Fotoeléctricos Termoeléctricos Magnetoeléctricos

Pasivos Resistivos Capacitivos Inductivos

Según señal que generan

Analógicos

Digitales

Temporales

Según rango de valores

Sensores de medida

Sensores “on-off”

Según nivel de integración

Sensores discretos

Sensores integrados

Sensores inteligentes

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

Características de funcionamiento

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

Precisión

La precisión define su categoría o clase y en general depende del principio de transducción utilizado y del tipo de magnitud a medir

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

Histéresis

Salida

Entrada

Linealidad

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

Umbral

Es el cambio más pequeño de la magnitud de entrada que produce un cambio medible en la salida

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.

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]

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

Respuesta en frecuencia

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

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

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

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.

Seleccionando un sensor

Seleccionando un sensor

Medio Costo Precisión Rango Salida

Instrumentación para automatización

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.

Proceso - Autómata

Autómata

Actuadores

Sensores

Proceso

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.

Razones de un sensor

Seguridad Estado de una variable Mandos Confirmaciones

Fin de carrera

Botones y pulsadores

Fotocelda

Encoder

Termocupla

PT100

Nivel

R-Shunt

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

Relé

Variadores de frecuencia

PWM

Relé de estado sólido

Conclusiones

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