UNIDAD 2

INTERRUPTORES Y SENSORES

Introducción

Un sensor es un aparato capaz de transformar magnitudes físicas o químicas, llamadas variables de instrumentación, en magnitudes eléctricas. Las variables de instrumentación pueden ser por ejemplo: temperatura, intensidad lumínica, distancia, aceleración, inclinación, desplazamiento, presión, fuerza, torsión, humedad, pH, etc. Una magnitud eléctrica puede ser una resistencia eléctrica (como en una RTD), una capacidad eléctrica (como en un sensor de humedad), una Tensión eléctrica (como en un termopar), una corriente eléctrica (como en un fototransistor), etc.

Un sensor se diferencia de un transductor en que el sensor está siempre en contacto con la variable de instrumentación con lo que puede decirse también que es un dispositivo que aprovecha una de sus propiedades con el fin de adaptar la señal que mide para que la pueda interpretar otro dispositivo. Como por ejemplo el termómetro de mercurio que aprovecha la propiedad que posee el mercurio de dilatarse o contraerse por la acción de la temperatura. Un sensor también puede decirse que es un dispositivo que convierte una forma de energía en otra. Áreas de aplicación de los sensores: Industria automotriz, Industria aeroespacial, Medicina, Industria de manufactura, Robótica, etc.Los sensores pueden estar conectados a un computador para obtener ventajas como son el acceso a una base de datos, la toma de valores desde el sensor, etc.

2.1 Interruptores (presión, nivel, temperatura, flujo, límite).

Un interruptor es un dispositivo para cambiar el curso de un circuito. El modelo prototípico es un dispositivo mecánico (por ejemplo un interruptor de ferrocarril) que puede ser desconectado de un curso y unido (conectado) al otro. El término "el interruptor" se refiere típicamente a la electricidad o a circuitos electrónicos. En usos donde requieren múltiples opciones de conmutación (p.ej., un teléfono), con el tiempo han sido remplazados por las variantes electrónicas que pueden ser controladas y automatizadas.

Interruptores de presiónOperan a través de su elemento sensible que es un pistón, un resorte, aislado del proceso por un diafragma sellado con un anillo “O” estático. Esto asegura una larga vida y superior operación bajo las condiciones de los procesos industriales.

El contacto on-off de los interruptores tiene características que les permiten una gran exactitud en los puntos de disparo (menos del 1%). La gran solidez asegura la perfecta operación de nuestros instrumentos, aun en procesos donde exista vibración.

Los interruptores de presión cuentan con rangos de protección sobre presiones hasta de 10 veces sobre su rango de operación.

Interruptor de nivelEs un dispositivo que, instalado sobre un tanque u otro recipiente en que hay almacenamiento de sólidos o líquidos, permite discriminar si la altura o nivel que el material o elemento almacenado alcanza o excede un nivel predeterminado. Al producirse dicha condición, este dispositivo cambia de estado y genera una acción que evita que el nivel siga subiendo.El ejemplo más sencillo de interruptor de nivel es el flotador de un retrete, que interrumpe el flujo de agua al alcanzar el tanque un nivel determinado.

Interruptores de temperaturaElectrónicos.- Un elemento de activación es un sensor de temperatura semiconductor, cuyas señales modificadas en función de la temperatura provocan cambios en el estado de conmutación con ayuda de amplificadores o elementos electrónicos. Mediante ajustes en el sistema electrónico se puede ajustar con exactitud la intensidad de la señal requerida para el proceso de conmutación y, con ello, el punto de conmutación; en principio, el punto de conmutación.

Interruptor de flujo Es un artefacto que controla el flujo de aire, vapor o líquido. Envía una "señal de activación" a un artefacto diferente al sistema, tal como una bomba. El interruptor de flujo puede indicar a la bomba que se encienda o apague, puede detener un motor cuando no haya flujo presente, arrancar un motor cuando exista un flujo presente, hacer sonar una alarma cuando el flujo se detenga o detener una alarma cuando el flujo es el correcto .Algunos de los usos generales son protección de bombas, protección de circuitos de refrigeración y alarmas para velocidades de flujo demasiado altas o demasiado bajas.

Interruptores de LimiteLos interruptores de límite detienen e inician el flujo de corriente dentro de un circuito para que se alcance una posición específica, por ello se utilizan tanto en maquinarias pesadas así como en dispositivos no industriales como los abridores de puertas de estacionamientos. Estos interruptores vienen de distintos tipos dependiendo de la maquinaria en la que se van a colocar y el propósito para el que estén hechos. Algunos interruptores son herméticos y otros pueden soportar altas temperaturas.Estos tipos de interruptores, además de ser utilizados en todo tipo de equipo industrial, se prestan mucho para todo tipo de aplicación en proyectos y holística,por su versatilidad y alto rateo en corriente y voltaje aun en dispositivos de muy reducido tamaño.

2.2 Principio de transducción.

Es la transformación de un tipo de energía en señal eléctrica o viceversa por medio de un transductor. Los principios de transducción son el fundamento físico sobre el cual se asienta la conversión de una magnitud física a otra. Existe una gran variedad de estos. Los transductores para detectar una variable física pueden estar basados en principios diferentes.Un transductor es un dispositivo que convierte una forma de energía en otra.Se tomarán los transductores que convierten eventos fisiológicos en señales eléctricas.

Se trabajará con sensores capacitivos, resistivos, inductivos, piezoeléctricos, fotoeléctricos, electroquímicos, etc.

■ Propiedad transducible: Es una característica singular de un evento a la cual se le puede aplicar un principio de transducción.■ Principio de transducción: Método empleado para convertir la propiedad transducible en una señal eléctrica.Características de los transductores■ Regla de Kelvin (instrumentación): El instrumento de medida no debe alterar el evento que se está midiendo.■ Tres criterios de reproducción fiel: Linealidad de amplitud, respuesta en frecuencia adecuada y mínima distorsión de fase.

2.3 Sensores de presión.

Los sensores de presión o transductores de presión son elementos que transforman la magnitud física de presión o fuerza por unidad de superficie en otra magnitud eléctrica que será la que emplearemos en los equipos de automatización o adquisición estándar. Los rangos de medida son muy amplios, desde unas milésimas de bar hasta los miles de bar.

En la industria hay un amplísimo rango de sensores de presión, la mayoría orientados a medir la presión de un fluido sobre una membrana. En robótica puede ser necesario realizar mediciones sobre fluidos hidráulicos (por dar un ejemplo), aunque es más probable que los medidores de presión disponibles resulten útiles como sensores de fuerza (el esfuerzo que realiza una parte mecánica, como por ejemplo un brazo robótico), con la debida adaptación.Los dispositivos de la serie MPX2100 son piezorresistencias de silicio sensibles a la presión. Proporcionan una variación de tensión exacta y directamente proporcional a la presión que se les aplica. El sensor consta de un diafragma monolítico de silicio para medir el esfuerzo y una fina película con una red de resistencias integradas en un chip. El chip se ajusta, calibra y compensa en temperatura por láser.En los sensores electrónicos en general, la presión actúa sobre una membrana elástica, midiéndose la flexión. Para detectarla pueden aprovecharse diversos principios físicos, tales como inductivos, capacitivos, piezorresistivos, ópticos, monolíticos (con módulos electrónicos extremadamente pequeños, totalmente unidos) u óhmicos (mediante cintas extensométricas).En los sensores de presión con elemento por efecto Hall, un imán permanente pequeño (que está unido a una membrana) provoca un cambio del potencial Hall. El sensor de presión piezorresistivo tiene un elemento de medición en forma de placa con resistencias obtenidas por difusión o implantación de iones. Si estas placas se someten a una carga, cambia su resistencia eléctrica. Lo mismo se aplica en el caso de los sensores de presión monolíticos, obtenidos mediante la cauterización gradual de silicio.

     Esquema del interior de algunos sensores de presión

a) Sensor Hall   1 Generador Hall   2 Imán permanente   3 Cuerpo del sensor   4 Membrana

b) Sensor de presión piezorresistivo   3 Cuerpo del sensor   5 Capa de unión   6 Contacto de aluminio   7 Pasivación   8 Piezorresistencia   9 Capa epitaxiada   10Sustrato de silicio   11 Soporte de vidrio   12 Capa de unión metálica

c) Sensor de presión capacitivo   10 Sustrato de silicio   11 Soporte de vidrio   13 Placa

d) Sensor de presión monolítico   10 Sustrato de silicio   14 Resistencias incorporadas mediante difusión   15 Carril de silicio   16 Vacío   17 Capa de soldadura.

2.4 Sensores de flujo.

Dispositivo que instalado en línea con tubería permite determinar cuando está circulando un líquido o un gas.Estos son del tipo apagado/encendido, determinan cuando está o no circulando un fluido pero no miden el caudal. Para medir el caudal se requiere un caudalímetro.

Tipos de sensor de flujo

○ De pistón

Es el más común de los sensores de flujo. Este tipo de sensor de flujo se recomienda cuando se requiere detectar caudales entre 0,5 LPM y 20 LPM.Consiste en un pistón que cambia de posición empujado por el flujo circulante. El pistón puede regresar a su posición inicial por gravedad o por medio de un resorte.El pistón contiene en su interior un imán permanente. Cuando el pistón se mueve el imán se acerca y activa un reed switch que cierra o abre (según sea la configuración) el circuito eléctrico.El área entre el pistón y la pared del sensor determina su sensibilidad y por ende a que caudal se activará el sensor.

○ De paleta (compuerta)

Este modelo es recomendado para medir grandes caudales, de más de 20 LPM.Su mecanismo consiste en una paleta que se ubica transversal al flujo que queremos detectar. El flujo empuja la paleta que está unida a un eje que atraviesa herméticamente la pared del sensor de flujo y apaga o enciende un interruptor en el exterior del sensor.Para ajustar la sensibilidad del sensor se recorta el largo de la paleta.

○ De elevación (tapón)

Este modelo es de uso general. Es muy confiable y se puede ajustar para casi cualquier caudal. Su mecanismo consiste en un tapón que corta el flujo. Del centro del tapón surge un eje que atraviesa herméticamente la pared del sensor. Ese eje empuja un interruptor ubicado en el exterior del sensor.Para ajustar la sensibilidad del sensor se perforan orificios en el tapón.

2.5 Sensores de temperatura.

Los sensores de temperatura son dispositivos que transforman los cambios de temperatura en cambios en señales eléctricas que son procesados por equipo eléctrico o electrónico.

Hay tres tipos de sensores de temperatura, los termistores, los RTD y los termopares.

El sensor de temperatura, típicamente suele estar formado por el elemento sensor, de cualquiera de los tipos anteriores, la vaina que lo envuelve y que está rellena de un material muy conductor de la temperatura, para que los cambios se transmitan rápidamente al elemento sensor y del cable al que se conectarán el equipo electrónico.

Termistor

El termistor está basado en que el comportamiento de la resistencia de los semiconductores es variable en función de la temperatura.

Existen los termistores tipo NTC y los termistores tipo PTC. En los primeros, al aumentar la temperatura, disminuye la resistencia. En los PTC, al aumentar la temperatura, aumenta la resistencia.

El principal problema de los termistores es que no son lineales según la temperatura por lo que es necesario aplicar fórmulas complejas para determinar la temperatura según la corriente que circula y son complicados de calibrar.

RTD (resistance temperature detector)

Un RTD es un sensor de temperatura basado en la variación de la resistencia de un conductor con la temperatura. 

Los metales empleados normalmente como RTD son platino, cobre, niquel y molibdeno.

De entre los anteriores, los sensores de platino son los más comunes por tener mejor linealidad, más rapidez y mayor margen de temperatura.

Termopar

El termopar, también llamado termocupla y que recibe este nombre por estar formado por dos metales, es un instrumento de medida cuyo principio de funcionamiento es el efecto termoeléctrico.

Un material termoeléctrico permite transformar directamente el calor en electricidad, o bien generar frío cuando se le aplica una corriente eléctrica.

El termopar genera una tensión que está en función de la temperatura que se está aplicando al sensor. Midiendo con un voltímetro la tensión generada, conoceremos la temperatura.

Los termopares tienen un amplio rango de medida, son económicos y están muy extendidos en la industria. El principal inconveniente estriba en su precisión, que es pequeña en comparación con sensores de temperatura RTD o termistores.

2.6 Sensores de nivel.

Es un dispositivo electrónico que mide la altura del material, generalmente líquido, dentro de un tanque u otro recipiente.Integral para el control de procesos en muchas industrias, los sensores de medición de nivel se dividen en dos tipos principales. Los sensores de medición de punto de nivel se utilizan para marcar una altura de un líquido en un determinado nivel preestablecido. Generalmente, este tipo de sensor funciona como alarma, indicando un sobre llenado cuando el nivel determinado ha sido adquirido, o al contrario una alarma de nivel bajo. Los sensores de nivel continuos son más sofisticados y pueden realizar el seguimiento del nivel de todo un sistema. Estos miden el nivel del fluido dentro de un rango especificado, en lugar de en un único punto, produciendo una salida analógica que se correlaciona directamente con el nivel en el recipiente. Para crear un sistema de gestión de nivel, la señal de salida está vinculada a un bucle de control de proceso y a un indicador visual.

Componentes de un sensor capacitivo.

2.7Sensores de peso, velocidad, conductividad, PH, etc.

Sensores de peso

Las celdas de carga o sensores de peso son aquellos dispositivos electrónicos desarrollados con la finalidad es la de detectar los cambios eléctricos provocados por una variante en la intensidad de un peso aplicado sobre la báscula o balanza, información que a su vez transmite hacia un indicador de peso o controlador de peso.La celda de carga o sensor de peso es un componente esencial al igual que el indicador de peso, para el funcionamiento de cualquier báscula o balanza electrónica.

Se trata de un elemento totalmente plano integrado dentro de una membrana de circuito impreso flexible de escaso espesor. Esta forma plana permite colocar al sensor con facilidad entre dos piezas de la mecánica de nuestro sistema y medir la fuerza que se aplica sin perturbar la dinámica de las pruebas. Los sensores utilizan una tecnología basada en la variación de resistencia eléctrica del área sensora. La aplicación de una fuerza al área activa de detección del sensor se traduce en un cambio en la resistencia eléctrica del elemento sensor en función inversamente proporcional a la fuerza aplicada.

Sensor de velocidad

El sensor de velocidad está hecho con una bobina de alambre más un imán. Están colocados de forma que al moverse el cárter, el imán permanece sin moverse. Se crea un movimiento relativo en el campo magnético y la bobina provoca una corriente que está en proporción a la velocidad del movimiento. Es auto generador no necesita de aditamentos electrónicos para funcionar. Posee una impedancia de salida eléctrica baja, que lo hace casi insensible a la inducción del ruido.

Otros sensores están hechos de una bobina móvil colocada fuera de un imán estacionario. El Velómetro, es de todos ellos el mejor en todos los aspectos. Se hacen con un acelerómetro y lleva un integrador electrónico incluido.

Algunos sensores de velocidad están hechos con una bobina móvil fuera de un imán estacionario. El principio de operación es el mismo. Un otro tipo de transductor de velocidad consiste en un acelerómetro con un integrador electrónico incluido. Esta unidad se llama un Velómetro y es en todos los aspectos superiores al sensor de velocidad sísmico clásico.El sensor de velocidad fue uno de los primeros transductores de vibración, que fueron construidos. Consiste de una bobina de alambre y de un imán colocado de tal manera que si se mueve el carter, el imán tiende a permanecer inmóvil debido a su inercia. El movimiento relativo entre el campo magnético y la bobina induce una corriente proporcional a la velocidad del movimiento. De esta manera, la unidad produce una señal directamente proporcional a la velocidad de la vibración. Es autogenerador y no necesita de aditamentos electrónicos acondicionadores para funcionar. Tiene una impedancia de salida eléctrica relativamente baja que lo hace relativamente insensible a la inducción del ruido.Aun tomando en cuenta estas ventajas, el transductor de velocidad tiene muchas desventajas, que lo vuelven casi obsoleto para instalaciones nuevas, aunque hoy en día todavía se usan varios miles. Es relativamente pesado y complejo y por eso es caro, y su respuesta de frecuencia que va de 10 Hz a 1000 Hz es baja. El resorte y el imán forman un sistema resonante de baja frecuencia, con una frecuencia natural de 10 Hz. La resonancia tiene que ser altamente amortiguada, para evitar un pico importante en la respuesta a esta frecuencia. El problema es que la amortiguación en cualquier diseño práctico es sensible a la temperatura, y eso provoca que la respuesta de frecuencia y la respuesta de fase dependan de la temperatura.

Sensores de Conductividad

La opción para líquidos muy densos o semi-sólidosLos interruptores de conductividad ofrecen las mismas funciones que nuestros interruptores de boya pero con la ventaja de no tener piezas móviles. Al no tener piezas móviles, estos interruptores se pueden usar en muchos entornos en los que un interruptor de boya se engancharía o no funcionaría en absoluto.

El funcionamiento de estos interruptores no se verá interrumpido ni siquiera en líquidos conductores semi-sólidos como los del sector alimentario o los lodos industriales, ni en líquidos muy densos como las aguas residuales. Suministra un controlador básico con el M3784 que satisfará una amplia gama de aplicaciones. Dado que la conductividad varía considerablemente de un líquido a otro, la sensibilidad del controlador es ajustable para distintos líquidos. La unidad sólo necesita una cantidad de corriente extremadamente pequeña para funcionar. Como con cualquier otro dispositivo, un sistema adecuadamente instalado y conectado atierra no supone ningún riesgo eléctrico.

Sensores de PH

El pH-metro es un sensor utilizado en el método electroquímico para medir el pH de una disolución.

La determinación de pH consiste en medir el potencial que se desarrolla a través de una fina membrana de vidrio que separa dos soluciones con diferente concentración de protones. En consecuencia se conoce muy bien la sensibilidad y la selectividad de las membranas de vidrio delante el pH.

Una celda para la medida de pH consiste en un par de electrodos, uno de calomel ( mercurio, cloruro de mercurio) y otro de vidrio, sumergidos en la disolución de la que queremos medir el pH.

La varita de soporte del electrodo es de vidrio común y no es conductor, mientras que el bulbo sensible, que es el extremo sensible del electrodo, está formado por un vidrio polarizable (vidrio sensible de pH).

Se llena el bulbo con la solución de ácido clorhídrico 0.1M saturado con cloruro de plata. El voltaje en el interior del bulbo es constante, porque se mantiene su pH constante (pH 7) de manera que la diferencia de potencial solo depende del pH del medio externo.

El alambre que se sumerge al interior (normalmente Ag/AgCl) permite conducir este potencial hasta un amplificador.

2.8 Criterios para la selección de un sensor.

Seleccionar un sensor puede ser muy sencillo y algunas veces difíciles, pero, siempre el objetivo es de hacerlo bien. Esto es porque por que los sensores, especialmente para uso científico o para ingeniería, pude significar la diferencia entre mediciones repetibles o números disparados. El objetivo es medir con exactitud y con incertidumbre aceptables.

Al elegir un sensor debemos de tomar en cuenta los siguientes criterios:

*Alcance de medición

*Exactitud del producto

*Condiciones bajo la cual la medición debe ser realizada.

*Ventajas y desventajas del sensor.