Luego de recibir algunos pedidos de informaci?n acerca de sensores, decidi armar una breve s?ntesis sobre sensores y sus tipos, enfocados desde el punto de vista industrial. El prop?sito de este contenido es orientar a todos aquellos estudiantes y afines que requieran encarar un proyecto de investigaci?n acerca de estos dispositivos y sus configuracione
s. Si bien en la s?ntesis de clasificaci?n general de sensores se especifican los tipos seg?n su arquitectura interna, he dejado a criterio del lector poner ?nfasis en las ejemplificacio
nes correspondient
es, ya que estos varian seg?n el dise?o de los fabricantes y/o aplicaciones a los que fueron destinados. Es sabido que el material es muy extenso, asi como la cantidad y tipo de sensores, por eso espero que esta s?ntesis pueda ayudar a encarar dichos proyectos.
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Literatura sobre Sensores
Fuente: apuntes te?ricos Universidad Tecnol?gica Nacional (UTN-INSPT) - Bs. As. Argentina
Autor:s?ntesis por MaMu
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Sensores
Instrumentos de Proceso
Para manejar (operar) una planta es necesario conocer el valor de las propiedades en proceso, utilizar esta informaci?n para diagnosticar la mejor forma de operar el proceso y disponer de medios de modificar el proceso en el grado deseado. Esta secuencia: Medir-Decidir-Actuar; es v?lida desde el manejo de una sola variable o propiedad (por ejemplo, para obtener un cierto flujo es necesario medirlo, compararlo con el flujo deseado y manejar una v?lvula o una bomba a fin de satisfacer el requerimiento) hasta una planta completa donde la medici?n de una propiedad en el producto terminado puede implicar acciones sobre operaciones al inicio de la l?nea de proceso.
Dado que la selecci?n de las variables a medir y sobre las que actuar es un aspecto emp?rico, se deber? disponer de una bater?a de conocimientos desagregados desde donde realizar la selecci?n de instrumentos. Se entiende por instrumento tanto los sistemas de medici?n (Sensores) como los de manipulaci?n (Actuadores: motores, bombas, v?lvulas, agitadores, etc.).
Sensores y Transductores
Se llama sensor al instrumento que produce una se?al, usualmente el?ctrica (anta?o se utilizaban se?ales hidr?ulicas), que refleja el valor de una propiedad, mediante alguna correlaci?n definida (su ganancia). En t?rminos estrictos, un sensor es un instrumento que no altera la propiedad sensada. Por ejemplo, un sensor de temperatura ser?a un instrumento tal que no agrega ni cede calor a la masa sensada, es decir, en concreto, ser?a un instrumento de masa cero o que no contacta la masa a la que se debe medir la temperatura (un term?metro de radiaci?n infrarroja, p.e.). Existe, adem?s, el concepto estricto de transductor: un instrumento que convierte una forma de energ?a en otra (o una propiedad en otra). Por ejemplo, un generador el?ctrico en una ca?da de agua es un conocido transductor de energ?a cin?tica de un fluido en energ?a el?ctrica; sobre esta base se podr?a pensar, por ejemplo, en un transductor de flujo a se?al el?ctrica consistente de un peque?o generador a paletas movilizado por el caudal a medir. Los transductores siempre retiran algo de energ?a desde la propiedad medida, de modo que al usarlo para obtener la cuantificaci?n de una propiedad en un proceso, se debe verificar que la p?rdida no impacte al proceso sensado en alguna magnitud importante.
S?ntesis de Clasificaci?n de Sensores
(Anal?gicos ? Digitales)
? Sensores de Temperatura: Termocuplas. Termistores: NTC, PTC, RTD. Integrados. A Diodo. Pir?metros de radiaci?n.
? Sensores de Deformaci?
Galgas extensiom?tricos (Strain Gages). Metal, Semiconductor, pel?cula delgada, Capacitivo, piezoel?ctrico, Fotoel?sticos.
? Sensores de Fuerza: Capacitivos. A reluctancia. A strain Gage. Piezoel?ctricos. A elemento vibrante. Celdas de carga.
? Sensores de Torque: A strain Gage. Reluctivos. Fotoel?ctricos. Inductivos a desplazamiento de fase.
? Sensores de Presi?
Capacitivos. Inductivos. A reluctancia. Potenciom?tricos resistivos. Strain Gage. Piezoel?ctricos. Servo-Sensores. A elemento vibrante. Llaves de Presi?n.
? Sensores de Flujo-Caudal: Presi?n diferencial. Mec?nico. Termal. Magn?tico. Oscilante. Ultras?nico.
? Sensores de Nivel: Presi?n. Pesado. Flotadores. Conductividad. Capacitivos. Transferencia de calor. ?pticos. Osciladores amortiguados. Ultras?nicos. Microondas. Radioactividad
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? Sensores de Desplazamiento Lineal y Angular, Posici?
Capacitivos. Reluctivos o LVDT. Potenciom?tricos. ?pticos. Codificadores Lineales y Angulares (Encoders-Encoders Incrementales). Por Sensado Remoto: Radar y Sonar. Por Posici?n y Actitud: Gir?scopos e Inclin?metros.
? Sensores de Velocidad, Aceleraci?n y Vibraciones: Lineales: Electromagn?ticos, rueda a medida. Angulares: (Tac?metros) Electromagn?ticos. ?pticos. Aceler?metros: Capacitivos. Potenciom?tricos. Reluctivos. Servo asistidos. A Strain Gage. A elemento vibrante.
? Sensores de Sonido: A condensador. Piezoel?ctricos. Din?micos. Hidr?fonos. Ultras?nicos. Infras?nicos. Magnetoestrict
ivos.
? Sensores de Luz: Fotovoltaicos (c?lula). Fotoconductivo
s. Fotoemisivos. Termoel?ctricos. Piroel?ctricos. Fotomultiplica
dores. Fototransistor
es (LDR). Por Reflexi?n.
? Sensores Magn?ticos: Hall. Magnetoresisti
vos. Magnetr?n.
? Sensores de Proximidad: Inductivos sensibles a metales ferromagn?ticos. Inductivos no sensibles a metales ferromagn?ticos. Capacitivos. Luz visible o Infrarroja. Microondas. Ultras?nicos.
? Sensores de Humedad: Higrom?tricos. Psicrom?tricos. De punto de roc?o.
? Sensores Qu?micos: Catar?metros. A cristales de cuarzo piezoel?ctricos. Catal?ticos. Capacitivos. Resistivos. Potenciom?tricos. Amperom?tricos. A Fibra ?ptica. Biosensores.
Acondicionamie
nto de Se?ales
La mayor?a de las se?ales requieren de preparaci?n antes de poder ser digitalizadas. Por ejemplo, una se?al de un termopar es muy peque?a y necesita ser amplificada antes de pasar por el digitalizador. Otros sensores como RTD, Termistores, galgas extensiom?tricas y aceler?metros requieren de poder para operar. A?n las se?ales de voltaje puro pueden requerir de tecnolog?a para bloquear se?ales grandes de modo com?n o picos. Todas estas tecnolog?as de preparaci?n son formas de acondicionamie
nto de se?al.
Puesto que existe un amplio rango de tecnolog?as, el papel que desempe?a y la necesidad de cada una de estas se puede volver confuso. A continuaci?n le proporcionamos una gu?a de los tipos de acondicionamie
nto de se?al m?s comunes, su funcionalidad y ejemplos de cuando usarlos.
Aislamiento
Las se?ales de voltaje fuera del rango del digitalizador pueden da?ar el sistema de medici?n y ser peligrosas para el operador. Por esta raz?n, normalmente es preciso tener el aislamiento y la atenuaci?n para proteger al sistema y al usuario de voltajes de alta tensi?n o picos. Tambi?n se puede necesitar aislamiento si el sensor est? en un plano de tierra diferente al del sensor de medici?n (como un termopar montado en una m?quina).
Amplificaci?n
Cuando los niveles de voltaje que va a medir son muy peque?os, la amplificaci?n se usa para maximizar la efectividad de su digitalizador. Al amplificar la se?al de entrada, la se?al acondicionada usa m?s efectivamente el rango del convertidor anal?gico-digital (ADC) y mejora la precisi?n y resoluci?n de la medici?n. Algunos sensores que t?picamente requieren de amplificaci?n son los termopares y galgas extensiom?tricas.
Atenuaci?n
La atenuaci?n es lo opuesto a la amplificaci?n. Es necesario cuando el voltaje que se va a digitalizar es mayor al rango de entrada del digitalizador. Esta forma de acondicionamie
nto de se?al disminuye la amplitud de la se?al de entrada, para que la se?al acondicionada este dentro del rango del ADC. La atenuaci?n es necesaria para medir voltajes altos.
Multiplexeo
T?picamente, el digitalizador es la parte m?s costosa del sistema de adquisici?n de datos. Al multiplexar, usted puede rutear secuencialment
e un cierto n?mero de se?ales a un solo digitalizador, logrando as? un sistema de bajo costo y extendiendo el n?mero de conteo de se?ales de su sistema. El multiplexeo es necesario para cualquier aplicaci?n de alto conteo de canales.
Filtrado
Los filtros son necesarios para remover cualquier componente de frecuencia no deseada en una se?al, principalmente para prevenir aliasing y reducir la se?al de ruido. Algunas mediciones de termopares generalmente requieren de filtros pasa bajos para remover el ruido de las l?neas de poder. Las mediciones de vibraci?n normalmente requieren de filtros antialiasing para remover componentes de se?ales m?s all? del rango de frecuencias del sistema de adquisici?n de datos.
Excitaci?n
Muchos sensores, como RTD, galgas y aceler?metros, requieren de alguna fuente de poder para hacer la medici?n. La excitaci?n es la tecnolog?a de acondicionamie
nto de se?al requerida para proveer esa fuente. Esta excitaci?n puede ser voltaje o corriente dependiendo del tipo de sensor.
Linearizaci?n
Algunos tipos de sensores producen se?ales de voltaje que no son lineales en relaci?n con la cantidad f?sica que est?n midiendo. La linearizaci?n, el proceso de interpretar la se?al del sensor como una medici?n f?sica, puede realizarse a trav?s de acondicionamie
nto de se?al o software. Los termopares son un ejemplo t?pico de un sensor que requiere linearizaci?n.
Compensaci?n de Junta Fr?a
Otra tecnolog?a requerida para mediciones de termopares es la compensaci?n de junta fr?a (CJC). Siempre que se conecta un termopar a un sistema de adquisici?n de datos, la temperatura de la conexi?n debe ser conocida para poder calcular la temperatura verdadera que el termopar esta midiendo. Un sensor CJC debe estar presente en el lugar de las conexiones.
Muestreo Simult?neo
Cuando es cr?tico medir dos o m?s se?ales en un mismo instante, el muestreo simult?neo es indispensable. El acondicionamie
nto de se?al apropiado al frente de su sistema es una opci?n de bajo costo para realizar esta operaci?n sin tener que comprar un digitalizador para cada canal. Algunas de las aplicaciones que podr?an requerir de muestreo simult?neo incluyen las mediciones de vibraci?n y mediciones de diferencias de fase
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