UNIVERSIDAD AUTONOMA CHAPINGO

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA AGRICOLA.

SENSORES

EQUIPO:

GUERRERO BORRÁS ROBERTO ANTONIO OCAMPO FLORES JOSUÉ

Grado: 6° Grupo: “1”

Lunes 22 de Abril de 2015

INTRODUCCIÓN:

Un sensor es cualquier dispositivo que detecta una determinada acción externa. Los sensores existen desde siempre, y nunca mejor dicho, porque el hombre los tiene incluidos en su cuerpo y de diferentes tipos. El hombre experimenta sensaciones como calor o frio, duro o blando, fuerte o flojo, agradable o desagradable, pesado o no. Y poco a poco le ha ido añadiendo adjetivos a estas sensaciones para cuantificarlas como frígido, fresco, tibio, templado, caliente, tórrido. Es decir, que día a día ha ido necesitando el empleo de magnitudes medibles más exactas.

En un sistema de control automático el sensor es el elemento que cierra el lazo de control y tiene como tarea captar, del proceso o maquina sobre la que se ejerce control, la información de cómo se esa comportando o realizando el trabajo. Esta información es transmitida al controlador que la usara para tomar la acción de control correspondiente.

Cabe mencionar también que las nuevas tecnologías están facilitando que cada vez haya más sensores a nuestro alrededor, capaces de procesar enormes cantidades de datos para ayudar a mejorar el funcionamiento de las fábricas, el control de los procesos productivos, el mantenimiento de las cosechas, o incluso para detectar terremotos.

Los sensores son cada vez más comunes en nuestra vida diaria. Un coche, por ejemplo, utiliza docenas de ellos para permitirnos controlar sus funciones básicas. Sin embargo, este tipo de sensores están muy limitados, puesto que, colocados estáticamente en un lugar, adolecen de la capacidad de analizar o actuar sobre los datos que detectan, y simplemente, su misión se limita a enviar las mediciones que han registrado a un procesador central.

En definitiva, los sensores todavía podrían dar mucho más de sí. Así lo cree toda una industria tecnológica que está detrás de ellos, y son cada vez más las empresas y los equipos de investigadores que trabajan en el desarrollo de este tipo de dispositivos.

Por tanto podemos decir que el desarrollo de estos revolucionarios componentes ha permitido aumentar la eficiencia, calidad y velocidad de los procesos industriales, la investigación y el desarrollo científico.

Como parte de nuestra formación academica en el curso de Sistemas de Control Automáticos, realizamos una práctica sobre sensores, donde se dio una introducción a este tema, se revisaron distintos tipos de sensores, su funcionamiento y aplicación.

OBJETIVO:

Comprender el funcionamiento y simbología de los principales sensores usados en los sistemas de control automáticos.

REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA:

Sensor

Un sensor o captador, como prefiera llamársele, no es más que un dispositivo diseñado para recibir información de una magnitud del exterior y transformarla en otra magnitud, normalmente eléctrica, que seamos capaces de cuantificar y manipular.

Normalmente estos dispositivos se encuentran realizados mediante la utilización de componentes pasivos (resistencias variables, PTC, NTC, LDR, etc... todos aquellos componentes que varían su magnitud en función de alguna variable), y la utilización de componentes activos.

Transductor Un transductor es un dispositivo que convierte una señal de un tipo de energía en otra. La base es sencilla, se puede obtener la misma información de cualquier secuencia similar de oscilaciones, ya sean ondas sonoras (aire vibrando), vibraciones mecánicas de un sólido, corrientes y voltajes alternos en circuitos eléctricos, vibraciones de ondas electromagnéticas radiadas en el espacio en forma de ondas de radio o las marcas permanentes grabadas en un disco o una cinta magnética.

Clasificación de los sensores

Los sensores de interés para la manufactura se pueden clasificar como sigue:

Sensores mecánicos: para medir cantidades como posición, forma, velocidad, fuerza, torque, presión, vibración, deformación y masa.

Sensores eléctricos: para medir voltaje, corriente, carga y conductividad.

Sensores magnéticos: para medir campo, flujo y permeabilidad magnética.

Sensores térmicos: para medir temperatura, flujo, conductividad y calor específico.

Otros tipos como acústicos, ultrasónicos, químicos, ópticos, de radiación, láser y de fibra óptica.

Simbología de sensores

Sensor piezoeléctrico

Un sensor piezoeléctrico es un dispositivo que utiliza el efecto piezoeléctrico para medir presión, aceleración, tensión o fuerza; transformando las lecturas en señales eléctricas.

La piezoelectricidad (del griego piezein, "estrujar o apretar") es un fenómeno que ocurre en determinados cristales que, al ser sometidos a tensiones mecánicas, en su masa adquiere una polarización eléctrica y aparece una diferencia de potencial y cargas eléctricas en su superficie.

Para generar una señal de salida útil, los sensores se basan en el efecto piezoeléctrico. Cuando los elementos piezoeléctricos están tensos por una fuerza externa, la carga eléctrica se acumula en las superficies desplazadas opuestas. Los círculos más grandes representan átomos de silicio, mientras que los más pequeños representan oxígeno. Cuarzo cristalino, ya sea en su estado natural o de alta calidad, forma reprocesado, es uno de los materiales más sensibles y estable piezoeléctrico.

Desplazamiento de la carga eléctrica debido a la desviación de la red en un cristal de cuarzo natural piezoeléctrico.

Además de los cristales de cuarzo, PCB, también utiliza el hombre, policristalino, piezocerámicas. Estos materiales, que son obligados a convertirse en piezoeléctricos por la aplicación de un campo eléctrico de gran tamaño, producen una salida de carga extremadamente alta. Esta característica es ideal para aplicaciones con sistemas de medición del ruido.

Efecto piezorresistivo:

La piezorresistividad es la propiedad de algunos materiales conductores y semiconductores, cuya resistencia eléctrica cambia cuando se los somete a un esfuerzo o estrés mecánico (tracción o compresión) que los deforma.

Dicho cambio es debido a la variación de la distancia interatómica (en el caso de los metales) y a la variación de la concentración de portadores (en el caso de los semiconductores).

La resistencia eléctrica de los materiales piezorresistivos depende de la temperatura (especialmente en el caso de los semiconductores). En contraste con el efecto piezoeléctrico, la piezorresistividad sólo causa un cambio de resistencia y no produce potencial eléctrico.

TERMOPAR:

Un termopar es un a sensor para medir temperatura. Consiste en dos metales diferentes unidos por un extremo. Cuando la unión de los dos metales se calienta o enfría se produce un voltaje que se puede correlacionar con la temperatura. Las aleaciones de termopar están disponibles por lo normal en forma de alambre.

Un termopar está disponible en diferentes combinaciones de metales o calibraciones. Las cuatro calibraciones más comunes son J, K, T y E. Hay calibraciones de alta temperatura que son R, S, C y GB. Cada calibración tiene un diferente rango de temperatura y ambiente, aunque la temperatura máxima varía con el diámetro del alambre que se usa en el termopar. Aunque la calibración del termopar dicta el rango de temperatura, el rango máximo también está limitado por el diámetro del alambre de termopar. Esto es, un termopar muy delgado posiblemente no alcance todo el rango de temperatura. Vea una tabla de referencia completa (en Inglés) para cada termopar. La tabla incluye códigos de color internacionales para las aleaciones de termopar, rango de temperatura y límites de error ara casi toda clase de termopar.

Materiales:

Normalmente los termopares industriales están compuestos por un tubo de acero inoxidable u otro material. En un extremo del tubo está la unión, y en el otro el terminal eléctrico de los cables, protegido dentro de una caja redonda de aluminio (cabezal).

Tipos:

Tipo K (cromel/alumel): con una amplia variedad aplicaciones, está disponible a un bajo costo y en una variedad de sondas. El cromel es una aleación de Ni-Cr, y el alumel es una aleación de Ni-Al. Tienen un rango de temperatura de –200 °C a +1372 °C y una sensibilidad 41 µV/°C aproximadamente. Posee buena resistencia a la oxidación.

Tipo E (cromel/constantán [aleación de Cu-Ni]: no son magnéticos y gracias a su sensibilidad, son ideales para el uso en bajas temperaturas, en el ámbito criogénico. Tienen una sensibilidad de 68 µV/°C.

Tipo J (hierro/constantán): su rango de utilización es de –270/+1200 °C. Debido a sus características se recomienda su uso en atmósferas inertes, reductoras o en vacío, su uso continuado a 800 °C no presenta problemas, su principal inconveniente es la rápida oxidación que sufre el hierro por encima de 550 °C; y por debajo de 0 °C es necesario tomar precauciones a causa de la condensación de vapor de agua sobre el hierro.

Tipo T (cobre/constantán): ideales para mediciones entre -200 y 260 °C. Resisten atmósferas húmedas, reductoras y oxidantes y son aplicables en criogenia. El tipo termopar de T tiene una sensibilidad de cerca de 43 µV/°C.

Tipo N (nicrosil [Ni-Cr-Si]/nisil [Ni-Si]): es adecuado para mediciones de alta temperatura gracias a su elevada estabilidad y resistencia a la oxidación de altas temperaturas, y no necesita del platino utilizado en los tipos B, R y S, que son más caros.

Por otro lado, los termopares tipo B, R y S son los más estables, pero debido a su baja sensibilidad (10 µV/°C aprox.) generalmente son usados para medir altas temperaturas (superiores a 300 °C).

Tipo B (Pt-Rh): son adecuados para la medición de altas temperaturas superiores a 1800 °C. Los tipo B presentan el mismo resultado a 0 °C y 42 °C debido a su curva de temperatura/voltaje, limitando así su uso a temperaturas por encima de 50 °C.

Tipo R (Pt-Rh): adecuados para la medición de temperaturas de hasta 1300 °C. Su baja sensibilidad (10 µV/°C) y su elevado precio quitan su atractivo.

Tipo S (Pt/Rh): ideales para mediciones de altas temperaturas hasta los 1300 °C, pero su baja sensibilidad (10 µV/°C) y su elevado precio lo convierten en un instrumento no adecuado para el uso general. Debido a su elevada estabilidad, el tipo S es utilizado para la calibración universal del punto de fusión del oro (1064,43 °C).

MATERIALES PARA GALGAS.

Los materiales que suelen utilizarse para fabricar galgas son aleaciones metálicas, como por ejemplo constantán, nicrom o elementos semiconductores como por ejemplo el silicio y el germanio. Es por ello que podemos clasificar las galgas en dos tipos: las metálicas y las semiconductoras.

TIPOS

Galgas extensométricas (células de carga)

Elementos elásticos Galgas extensométricas de resistencia eléctrica Galgas extensométricas de hoja Galgas extensométricas semiconductoras Galgas extensométricas de capa delgada Galgas extensométricas de cable

Galgas metálicas

Las principals aleaciones que usan las galgas metálicas son:

Cobre y hierro Platina y silicialista Constantán Nicrom o karma Isoelastic Aleación de platino Aleaciones de Niquel-Cromo Nitróxido de titán

Algunos de los materiales usados en el soporte de las galgas metálicas pueden ser

Poliamida Epoxy Fibra de vidrio reforzada con epoxy

Materiales para el soporteMaterial Características AplicacionesPoliamida - Es el soporte

estándar.- No soporta

condiciones extremas de trabajo.

- Espesor habitual de

- Medidas estáticas.- Aplicaciones

habituales.

0,025 mmEpoxy - Minimiza el error

introducido por el soporte.

- Instalación delicada.- Requiere mano de

obra especializada.

- Medidas precisas.

Fibra de vidrio reforzada con epoxy

- Soporta temperaturas moderadas.

- Soporta muy bien el trabajo a fatiga.

- Medidas cíclicas y de fatiga.

Relación del factor k con el módulo de Young.

Las galgas extensiométricas son sensores piezorresistivo, generalmente fabricados en materiales metálicos o semiconductores (silicio o germanio), cuyo objetivo es la micro medida de deformaciones en cualquier dirección y con cualquier sentido de un punto específico de la estructura, por medio del tratamiento de datos obtenido tras la variación de la resistencia eléctrica de la lámina (que se produce al someterse a un esfuerzo mecánico). Por medio del dato arrojado con esta tecnología (la deformación) y con el modelo matemático de la relación esfuerzo deformación de la ley de Hooke (la deformación de un material elástico es directamente proporcional a la fuerza aplicada), se pueden deducir los esfuerzos en diferentes puntos externos e internos de la estructura, como también se puede obtener el módulo de Young y el Coeficiente de Poisson. En el proceso donde se someten las galgas a deformaciones, hay que tener precaución con no superar el límite de deformación elástico del elemento para que los resultados sean verídicos.

PUENTE WHEATSTONE.

Un puente de Wheatstone se utiliza para medir resistencias desconocidas mediante el equilibrio de los brazos del puente. Estos están constituidos por cuatro resistencias que forman un circuito cerrado, siendo una de ellas la resistencia de bajas medidas.

En la Figura 1 vemos que, Rx es la resistencia cuyo valor queremos determinar,

R1, R2 y R3 son resistencias de valores conocidos, además la resistencia R2 es

ajustable. Si la relación de las dos resistencias del brazo conocido (R1/R2) es igual

a la relación de las dos del brazo desconocido (Rx/R3), el voltaje entre los dos

puntos medios será nulo y por tanto no circulará corriente alguna entre esos dos

puntos C y B.

Figura 1. Disposición del puente de Wheatstone.

Para efectuar la medida lo que se hace es variar la resistencia R2 hasta alcanzar el

punto de equilibrio. La detección de corriente nula se puede hacer con gran

precisión mediante el voltímetro V.

La dirección de la corriente, en caso de desequilibrio, indica si R2 es demasiado

alta o demasiado baja. El valor de la F.E.M.(E) del generador es indiferente y no

afecta a la medida.

Cuando el puente está construido de forma que R3 es igual a R2, Rx es igual a

R1 en condición de equilibrio (corriente nula por el galvanómetro).

Asimismo, en condición de equilibrio siempre se cumple que:

Si los valores de R1, R2 y R3 se conocen con mucha precisión, el valor de

Rx puede ser determinado igualmente con precisión. Pequeños cambios en el

valor de Rx romperán el equilibrio y serán claramente detectados por la

indicación del galvanómetro.

De forma alternativa, si los valores de R1, R2 y R3 son conocidos y R2 no es

ajustable, la corriente que fluye a través del galvanómetro puede ser utilizada

para calcular el valor de Rx siendo este procedimiento más rápido que el

ajustar a cero la corriente a través del medidor.

DESARROLLO:

Se presentó cada uno de los sensores para explicar su funcionamiento y reconocimiento de sus partes principales así como también la simbología de cada uno de estos.

Posteriormente cada sensor fue observado por cada alumno y finalmente con ayuda de una fuente de poder se hizo funcionar cada tipo de sensor y así poder comprender su funcionamiento.

Practica 1.

Sensor óptico

Fig. 4. Arreglo en cortina.

330 Ω

10 KΩ

Fig. 3. Diagrama del sensor óptico

Fig. 5. Sensor capacitivo

Fig. 1. Sensor óptico.Fig. 2. Convertidor de voltaje.

Fig. 7. Diagrama del sensor inductivo

Fig. 6. Sensor inductivo.

Fig. 8. Sensor inductivo.

Práctica 2.

Al igual que la práctica anterior, se expuso el funcionamiento de los principales sensores de presión y temperatura así como también la simbología y reconocimiento de sus partes.

Sensores de presión

Manómetro (Tubo Bourdon):

Es el método más común para medir presiones, consta de un tubo aplanado de bronce o acero curvado en arco. Al aplicar presión al interior del tubo, tiende a enderezarse, transmitiendo este movimiento a una aguja por medio de un mecanismo amplificador adecuado.

Sensor de temperatura

Termopares:

Un termopar es un sensor de temperatura que consiste en dos conductores metálicos diferentes, unidos en un extremo, denominado junta caliente suministrando una señal de tensión eléctrica que depende directamente de la temperatura; este sensor puede ser conectado a un instrumento de medición de Fem (milivoltímetro o potenciómetro).

Fig.1. Manómetro. Fig.2. Esquema interno del manómetro.

Fig. 3. Sensor de presión.

Este sensor no mide temperaturas absolutas, sino la diferencia de temperatura entre el extremo caliente y el extremo frío.

Fig.4. Esquema de un termopar.Fig.5. Termopar con transductor.

Fig.7. Sensor de campo eléctrico.

Fig.6. Sensor de temperatura.

Fig.8. Sensor de oxígeno.

Fig.9. Sensor de humedad relativa.

Fig.10. Sensor digital de temperatura.

Fig.11. Sensor de movimiento.

Practica 3.

Galgas:

El profesor de la práctica nos dio una explicación breve de lo que es una galga, sus características, así como su funcionamiento de acuerdo a los tipos de galgas.

Galga extensométrica. (o extensímetro) es un sensor basado en el efecto piezorresistivo. Un esfuerzo que deforma a la galga producirá una variación en su resistencia eléctrica. Inventado por los ingenieros Edward E. Simmons y Arthur C. Ruge en 1938.

La galga se adhiere al objeto cuya deformación se quiere estudiar mediante un adhesivo, como el cianoacrilato. Según se deforma el objeto, también lo hace la lámina, provocando así una variación en su resistencia eléctrica.

A continuación están algunos tipos de algas que vimos en la práctica:

CONCLUSIONES:

Pudimos observar cada uno de los tipos de sensores entre los cual cabe mencionar de temperatura, presión y fuerza, así como su principal funcionamiento y su la aplicación que se le da de acuerdo a ello.

Las ventajas y desventajas al adquirir estos sensores.

REFERENCIAS:

http://automatizacioniue.blogspot.mx/2012/08/historia-de-los-sensores.html

http://www.profesormolina.com.ar/tecnologia/sens_transduct/que_es.htm

http://www.ecured.cu/index.php/Galga_extensiom%C3%A9trica

http://www.ehu.eus/acustica/espanol/electricidad/transes/transes.html

http://thelastlabproject.blogspot.mx/2010/12/clasificacion-de-los-sensores.html

http://es.slideshare.net/luisalfonsoloaiza/galgas

http://es.wikipedia.org/wiki/Puente_de_Wheatstone