Interfases y Transductores

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Interfases y Transductores

• Sensores Primarios

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Sensores Primarios

• Un sensor primario es un dispositivo que permite
  obtener una señal transducible a partir de la
  magnitud física a medir.
• Las magnitudes de entrada y de salida son de tipo
  no eléctrico.

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Sensores Bimetálicos

• Un bimetal es una pieza formada por dos láminas
  de metales con diferente coeficiente de
  dilatación térmica (a) unidos firmemente.
• Cuando se produce un cambio de temperatura, un
  metal se dilata más que el otro y el bimetal se
  curva. La curvatura es función del incremento de
  temperatura.
• Estos elementos se utilizan ampliamente en todo
  tipo de sistemas de medida y control en los que
  interviene la temperatura.
• Generalmente los bimetalitos comerciales poseen
  un espesor entre 10 µm y 3 mm, para obtener una
  alta sensibilidad. La temperatura a los cuales
  son sometidos estos sensores van desde -75ºC a
  540ºC. sus formas varían de voladizo, espiran,
  hélice, etc. Son muy empleados como elementos de
  control on-off, cortando un flujo de corriente
  que pasa a través de ellos.

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Sensores Bimetálicos

• Si se denomina e al espesor total de la pieza, y
  aA, aB a los coe?cientes de dilatación lineal el
  radio de curvatura cuando se pasa de una
  temperatura T1 a otra T2 esta expresado por
• donde tenemos una variación inversamente
  proporcional a la diferencia de temperaturas.
• Si los materiales que componen el sensor son de
  módulos elásticos y espesores similares (m1,
  n1), la expresión se reduce a
• Pueden usarse solos o combinados con un sensor de
  posición.

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Sensores de Presión

• La medida de presiones en líquidos o gases es una
  de las necesidades más frecuentes,
  particularmente en el control de procesos.
• Manómetros de columna o U Se compara P con Pref
  , la diferencia de alturas h entre los dos
  niveles viene dado por la fórmula donde ? es la
  densidad del líquido y g es la aceleración de la
  gravedad.
• Medida directamente proporcional a la diferencia
  de presiones.
• Puede emplearse inspección directa o un sensor de
  nivel.

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Tubos Bourdon

• El tubo Bourdon (desarrollado por Eugene Bourdon
  en 1849) consiste en un tubo metálico de sección
  transversal no circular, obtenido a base de
  aplanar un tubo de sección circular, que tiende a
  recuperar dicha forma cuando se aplica una
  diferencia de presión entre el interior y el
  exterior.
• Si se cierra el tubo por un extremo y se empotra
  rígidamente el otro, esta tendencia a recuperar
  la sección circular provoca un desplazamiento del
  extremo libre.

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Diafragma

• Placa circular ?exible empotrada que se deforma
  cuando existe una diferencia de presiones. La
  medida se obtiene como el desplazamiento que
  sufre el punto central de la membrana.

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Sensores de flujo y caudal

• Flujo Movimiento de un ?uido por un canal o
  conducto abierto o cerrado.
• Caudal Cantidad de material, en peso o volumen,
  que ?uye por unidad de tiempo.
• Flujo viscoso o laminar Fluido a lo largo de un
  conducto recto con paredes lisas y sección
  transversal uniforme.
• Flujo turbulento Aparecen remolinos o
  torbellinos.

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Sensores de flujo y caudal

• Teorema de Bernouilli Permite obtener la presión
  de un ?uido en función de la velocidad del mismo
  relacionando la presión estática con la dinámica
  según
• siendo
• p presión estática ? densidad del ?uido g
  aceleración de la gravedad z altura geométrica
  respecto a un nivel de referencia v velocidad
  del ?uido en el punto considerado ?v2/2 presión
  dinámica

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Sensores de flujo y caudal

• Tubo de Pitot En el caso de un canal abierto el
  líquido entra en el tubo y sube hasta que se
  alcanza el equilibrio.
• Delante del tubo se produce un estancamiento ?
  velocidad cero

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Sensores de flujo y caudal

• En una conducción cerrada es necesario conocer la
  presión estática, no debida al movimiento, y la
  presión total pt mediante un tubo de Pitot.

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Sensores de flujo y caudal

• En un conducto de área A1 se estrecha la sección
  a una de área A2 (garganta) ? Tubo de Venturi
• Como el caudal se debe conservar se tiene que,

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Sensores de flujo y caudal

• Los caudalímetros de obstrucción son los más
  utilizados. Su funcionamiento se basa en la
  inserción de un elemento en el canal que provoca
  una restricción de flujo de área fija o variable.
  En dicho elemento se produce una caída de presión
  o una variación del área, respectivamente, que es
  función del caudal.

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Sensores de nivel

• Flotador Medir el giro producido por un elemento
  ?otante.

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Sensores de nivel

• Presión diferencial Diferencia de presión ?P
  entre la super?cie del líquido y el fondo del
  depósito..
• La altura es h, la densidad es ? y g la gravedad.

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Sensores de fuerza y par

• Un método para medir una fuerza (o un par)
  consiste en medir el efecto de la fuerza sobre un
  elemento elástico, denominado célula de carga. En
  las células de carga eléctricas, el efecto es una
  deformación o desplazamiento. En las células de
  carga hidráulicas y neumáticas, el efecto es un
  aumento de la presión de un líquido o un gas
  respectivamente.
• Al aplicar un esfuerzo mecánico a un elemento
  elástico inmóvil, éste se deforma hasta que las
  tensiones generadas por la deformación igualan a
  las debidas al esfuerzo aplicado. El resultado es
  un cambio en las dimensiones del elemento
  proporcional al esfuerzo.

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Sensores resistivos

• Los sensores basados en la variación de la
  resistencia eléctrica de un dispositivo son
  probablemente los más abundantes. Ello se debe a
  que son muchas las magnitudes físicas que afectan
  al valor de la resistencia eléctrica de un
  material.
• Para la clasificación de los diversos sensores de
  esta clase se toma como criterio la magnitud
  física medida.

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Potenciómetros

• Los sensores de desplazamiento resistivos son
  comúnmente llamados potenciómetros. Un
  potenciómetro es un elemento electromecánico que
  posee un conductor eléctrico en contacto con una
  resistencia sobre la cual se desliza,
  estableciendo una resistencia de acuerdo a la
  posición o ángulo.

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Potenciómetros

• Los potenciómetros, están dividos eléctricamente
  en dos puntos, establecidos por las escobillas.
• Los potenciómetros idealmente poseen una salida
  de resistencia que varia linealmente con el
  desplazamiento de la escobilla sobre la
  resistencia.

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Potenciómetros

• Debido a que la resistencia de un conductor de
  longitud l, sección A y resistividad ? viene dada
  por
• La resistencia R entre los extremos del
  potenciómetro y el contacto móvil es

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Potenciómetros

• Si A y ? son constantes, la variación de
  resistencia es proporcional al desplazamiento del
  cursor.
• Además debe suponerse que la resistencia es
  uniforme a lo largo de todo el recorrido l del
  cursor y que el contacto es contínuo.

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Potenciómetros

• Para el análisis se asume que
• La resistencia es uniforme a lo largo de todo el
  recorrido o bien sigue una ley determinada.
• El contacto del cursor proporciona una variación
  de resistencia continua (no a saltos) por tanto,
  la resolución es infinita.
• Si se alimenta el potenciómetro con una tensión
  alterna, su inductancia y capacitancia deben ser
  despreciables.
• Para valores de Rp bajos, la inductancia no
  siempre es despreciable, sobre todo para
  potenciómetros bobinados.
• Para valores de Rp altos, la capacitancia
  parásita puede tener importancia.
• La temperatura del potenciómetro es uniforme.
  Esta se debe tanto al medio que lo rodea como al
  propio auto-calentamiento.
• El rozamiento del cursor y su inercia son
  despreciables.
• Efecto de la temperatura La temperatura también
  condiciona la validez de la ecuación. Aparte de
  vigilar las condiciones ambientales, debe
  evitarse el auto-calentamiento por potencia
  disipada.
• Evitar otras perturbaciones como el desgaste del
  cursor o el resistor, polvo, oxidación, etc.

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Aplicación de los potenciómetros

• Existen potenciómetros en los que la resistencia
  no es una función lineal del desplazamiento del
  cursor. Se utilizan cuando se quieren conseguir
  efectos no lineales con el desplazamiento. Por
  ejemplo
• Logarítmicos
• Exponenciales
• Cuadráticos
• En la figura se muestra un caso en el que la
  dependencia del desplazamiento es cuadrática.

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Aplicación de los potenciómetros

• Existen potenciómetros para detectar todo tipo de
  desplazamientos
• lineales, angulares, etc.
• En la figura se muestra un potenciómetro especial
  para la medida de inclinaciones. El anillo
  conductor guía una bola que hace las veces de
  cursor. La resistencia es proporcional a la
  inclinación ya que la bola siempre permanece en
  la posición vertical.

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Aplicación de los potenciómetros

• Existen potenciómetros dobles que permiten
  determinar la posición de un punto en el plano.
  Se emplean, por ejemplo, en los joysticks.

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Aplicación de los potenciómetros

• Los potenciómetros se pueden utilizar junto a un
  tubo Bourdon o bien para medir niveles de
  líquidos.

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Galgas extensométricas

• Las medidas con galgas extensométricas (en inglés
  strain gages ó strain gauges), se basan en la
  variación de resistencias que estas experimentan
  al ser sometidas a una deformación por esfuerzo
  mecánico. Estas pueden ser fabricadas con
  materiales conductores o semiconductores. La
  resistencia eléctrica de un conductor homogéneo
  depende de su dimensión física y su resistividad,
  si la resistividad se asume constante, la
  ecuación siguiente describe la relación entre la
  deformación y la resistencia eléctrica de la
  galga extensométrica.

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Galgas extensométricas

• Al someter a un esfuerzo mecánico en dirección
  longitudinal, varían cada una de las tres
  magnitudes que intervienen en el valor R.
• La variación que experimenta la resistividad (?)
  de un material como resultado del esfuerzo
  mecánico aplicado es lo que se conoce como efecto
  piezoresistivo.

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Galgas extensométricas
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Galgas extensométricas

• Las medidas con galgas extensométricas (en inglés
  strain gages ó strain gauges), se basan en la
  variación de resistencias que estas experimentan
  al ser sometidas a una deformación por esfuerzo
  mecánico. Estas pueden ser fabricadas con
  materiales conductores o semiconductores. La
  resistencia eléctrica de un conductor homogéneo
  depende de su dimensión física y su resistividad,
  si la resistividad se asume constante, la
  ecuación siguiente describe la relación entre la
  deformación y la resistencia eléctrica de la
  galga extensométrica.

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Galgas extensométricas

• Limitaciones
• No se debe sobrepasar el margen elástico de
  deformación.
• Todo el esfuerzo se debe transmitir a la galga
  para una medida correcta. Se debe tener una
  correcta fijación al elemento a medir la
  deformación.
• Debe evitarse el calentamiento.

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Galgas extensométricas

• Medida de deformaciones lineales, torsiones y
  medida de tensiones.