Circuitos e Instalaciones Elctricas Industriales QU-335/AUNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERAFacultad de Ingeniera Qumica y Textil

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERA

FACULTAD DE INGENIERA QUMICA Y TEXTIL

CIRCUITOS ELCTRICOS E INSTALACIONES ELCTRICAS INDUSTRIALES

TRANSDUCTORES, SENSORES Y ACONDICIONAMIENTO DE LA SEAL

ALUMNOS:GRUPO 10

1. CNDOR VALENCIA NGEL E.

1. VIVANCO VSQUEZ JOSU J.

LIMA PERABRIL 2015

NDICE

NDICE1

Transductores, sensores y acondicionamiento de la seal2

1.Introduccin2

2.Transductores3

3.Sensores4

4.Acondicionamiento4

5.Interfaces, dominios de datos y conversiones5

6.Tipos de sensores6

7.Configuracin general entrada-salida7

8.Caractersticas estticas de los sistemas de medida8

9.Caractersticas dinmicas de los sistemas de medida12

10.Caractersticas de entrada: Impedancia13

11.Sensores primarios15

12.Materiales empleados en sensores22

13.Tcnicas de preparacin de materiales para microsensores25

14.Bibliografa:26

Transductores, sensores y acondicionamiento de la seal1. IntroduccinLos sistemas de medidas realizan la funcin de asignar (objetiva y empricamente) un nmero a una propiedad o cualidad de un objeto o evento. Este resultado debe ser independiente del observador (objetiva) y basada en la experimentacin (emprica), de tal forma que exista una correspondencia entre la numeracin asignada y la propiedad observada.Los objetivos de la medida varan desde la vigilancia o seguimiento de procesos, como es el caso de la medida de la temperatura ambiente, el control de un proceso, como un termostato o el control de nivel en un depsito. En un sentido amplio, la realizacin de una medida implica, pues, adems de la obtencin de la informacin, realizada por un transductor o elemento sensor, el procesamiento de dicha informacin y tambin la presentacin de resultados. Cualquiera de estas funciones puede ser local o remota, que implica en el segundo caso, la necesidad de transmitir la informacin.

La figura 1.1 describe la estructura general de un sistema de medida y control.

2. TransductoresSe denomina, de manera general, transductor a todo dispositivo que tiene la misin de traducir o adaptar un tipo de energa en otro ms adecuado para el sistema, es decir convierte una magnitud fsica, no interpretable por el sistema, en otra variable que pueda interpretar dicho sistema.Dado que hay seis tipos de seales: mecnicas, trmicas, magnticas, elctricas, pticas y moleculares (qumicas), cualquier dispositivo que convierta una seal de un tipo en una seal de otro tipo debera considerarse un transductor, y la seal de salida podra ser de cualquier forma fsica til. En la prctica se consideran transductores aquellos que ofrecen una seal de salida elctrica. Ello se debe al inters de este tipo de seales en la mayora de procesos de medida. El transductor transforma la seal que entrega el sensor en otra normalmente de tipo elctrico.Los sistemas de medida electrnicos ofrecen las siguientes ventajas:1.- Debido a la estructura electrnica de la materia, cualquier variacin de un parmetro no elctrico de un material viene acompaada por la variacin de un parmetro elctrico. Eligiendo el material adecuado, esto permite realizar transductores con salida elctrica para cualquier magnitud fsica no elctrica.2.- Dado que en el proceso de medida no conviene extraer energa del sistema donde se mide, lo mejor es amplificar la seal de salida del transductor. Con amplificadores electrnicos se pueden obtener fcilmente ganancias de potencia de 1010 en una sola etapa, a baja frecuencia.3.- Adems de la amplificacin, hay una gran variedad de recursos, en forma de circuitos integrados, para acondicionar o modificar las seales elctricas. Incluso hay transductores que incorporan fsicamente en un mismo encapsulado parte de esos recursos.4.- Existen tambin numerosos recursos para presentar o registrar informacin si se hace electrnicamente, pudindose manejar no slo datos numricos, sino tambin textos, grficos y diagramas.5.- La transmisin de seales elctricas es ms verstil que la de seales mecnicas, hidrulicas o neumticas, y si bien no hay que olvidar que stas pueden ser ms convenientes en determinadas circunstancias, como pueden ser la presencia de radiaciones ionizantes o atmsferas explosivas, en muchos casos estos sistemas han sido sustituidos por otros elctricos. De hecho, mientras en industrias de proceso (qumica, petrleo, gas, alimentacin, textil, etc.), donde se introdujeron en seguida los sistemas automticos, se encuentran actualmente sistemas neumticos junto a sistemas elctricos ms recientes, en cambio en las industrias de manufacturados, donde hay una serie de procesos discontinuos y que son de automatizacin ms reciente, apenas hay sistemas neumticos.

3. SensoresUn sensor es un dispositivo que, a partir de la energa del medio donde se mide, da una seal de salida transductible que es funcin de la variable medida. Se define normalmente como el elemento que se encuentra en contacto directo con la magnitud que se va a evaluar. El sensor recibe la magnitud fsica y se la proporciona al transductor.Sensor y transductor se emplean a veces como sinnimos, pero sensor sugiere un significado ms extenso: la ampliacin de los sentidos para adquirir un conocimiento de cantidades fsicas que, por su naturaleza o tamao, no pueden ser percibidas directamente por los sentidos. Transductor, en cambio, sugiere que la seal de entrada y la de salida no deben ser homogneas. La tendencia actual, particularmente en robtica, es emplear el trmino sensor para designar el transductor de entrada, y el trmino actuador o accionamiento para designar el transductor de salida. No obstante, se denomina transductor al conjunto de ambos elementos junto con su encapsulado y conexiones.

4. AcondicionamientoLos acondicionamientos de seal, adaptadores o amplificadores, en sentido amplio, son elementos del sistema de medida que ofrecen, a partir de la seal de salida de un sensor electrnico, una seal apta para ser presentada o registrada o que simplemente permita un procesamiento posterior mediante un equipo o instrumento estndar. Consisten normalmente en circuitos electrnicos que ofrecen, entre otras funciones, lo siguiente: ampliacin, filtrado, adaptacin de impedancias y modulacin o demodulacin.La presentacin de los resultados puede ser de forma analgica (ptica, acstica o tctil) o numrica (ptica). El registro puede ser magntico o sobre papel, e incluso electrnico (memorias elctricas), y exige siempre que la informacin de entrada est en forma elctrica.

5. Interfaces, dominios de datos y conversionesEn los sistemas de medida, las funciones de transduccin, acondicionamiento, procesamiento y presentacin, no siempre se pueden asociar a elementos fsicos distintos. Adems, la separacin entre el acondicionamiento y el procesamiento puede ser a veces difcil de definir. Con el trmino interfaz se designa al conjunto de elementos que modifican las seales, cambiando incluso de dominio de datos, pero sin cambiar su naturaleza, permaneciendo siempre en el dominio elctrico.Se denomina dominio de datos al nombre de una magnitud mediante la que se representa o transmite informacin. El concepto de dominios de datos y el de conversiones entre dominios, es de gran inters para describir los transductores y los circuitos electrnicos asociados.En el dominio analgico, la informacin est en la amplitud de la seal (carga, corriente, tensin o potencia). En el dominio temporal, la informacin no est en las amplitudes de las seales, sino en las relaciones temporales (periodo o frecuencia, anchura de pulsos, fase). En el dominio digital, las seales tienen slo dos niveles, la informacin puede estar en nmero de pulsos o venir representadas por palabras (serie o paralelo) codificadas.El dominio analgico es el ms susceptible a interferencias elctricas. En el dominio temporal, la variable codificada no se puede medir de forma continua, sino que hay que esperar un ciclo o la duracin de un pulso. En el dominio digital, la obtencin de nmeros es inmediata.En la figura 1.2 se representa un diagrama con algunos dominios de datos, detallando en particular los dominios elctricos.

6. Tipos de sensoresEl nmero de sensores disponibles para las distintas magnitudes fsicas es tan elevado que para proceder a su estudio es necesario clasificarlos de acuerdo con algn criterio.Segn el aporte de energa, los sensores se pueden dividir en moduladores y generadores. En los sensores moduladores la energa de la seal de salida procede de una fuente de energa auxiliar. En los sensores generados la energa de salida es suministrada por la entrada.Segn la seal de salida, los sensores se clasifican en analgicos o digitales. En los analgicos la salida vara de forma continua, en los digitales la salida vara en forma de saltos.Atendiendo al modo de funcionamiento, los sensores pueden ser de deflexin o de comparacin.Segn el tipo de relacin entrada-salida, los sensores pueden ser de orden cero, de primer orden, de segundo orden o de orden superior. Esta clasificacin es de gran importancia cuando el sensor forma parte de un sistema de control en lazo cerrado.En el cuadro 1.1 muestra la clasificacin de los sensores por los criterios mencionados sus clases y sus respectivos ejemplos.

7. Configuracin general entrada-salidaInterferencias y perturbaciones internas.- En un sistema, el sensor es el elemento con la misin de obtener informacin, en forma de seal elctrica, sobre la propiedad medida. Se denominan interferencias o perturbaciones externas aquellas seales que afectan al sistema de medida como consecuencia del principio utilizado para medir las seales de inters. En cambio las perturbaciones internas son aquellas seales que afectan indirectamente a la salida debido a su efecto sobre las caractersticas del sistema de medida.Tcnicas de compensacin.- Los efectos de las perturbaciones internas y externas pueden reducirse mediante una alteracin del diseo o a base de aadir nuevos componentes al sistema. Un mtodo para ello es el denominado diseo con insensibilidad intrnseca. Se trata de disear el sistema de forma que sea sensible slo a las entradas deseadas.El mtodo de la retroaccin negativa se aplica con frecuencia para reducir el efecto de las perturbaciones internas, y es el mtodo en el que se basan los sistemas de medida por comparacin. Otra tcnica para reducir las interferencias es el filtrado. Un filtro es todo dispositivo que separa seales de acuerdo con su frecuencia u otro criterio. Si los espectros frecuenciales de la seal y las interferencias no se solapan, la utilizacin de un filtro puede ser efectiva. El filtro puede ponerse en la entrada o en una etapa intermedia.Una tcnica habitual de compensacin de perturbaciones es la utilizacin de entradas opuestas. Se aplica con frecuencia para compensar el efecto de las variaciones de temperatura. 8. Caractersticas estticas de los sistemas de medidaEl comportamiento del sistema de medida viene condicionado por el sensor empleado. Es por ello importante describir las caractersticas de los sensores. Sucede que la variable de inters vara tan lentamente que basta con conocer las caractersticas estticas del sensor. Las caractersticas estticas influyen tambin en el comportamiento de dinmico del sensor, cuando la magnitud medida vara a lo largo del tiempo. Sin embargo se suele evitar su consideracin y se procede a estudiarse por separado. Exactitud, fidelidad, sensibilidad. La exactitud es la cualidad que caracteriza la capacidad de un instrumento de medida de dar indicaciones que se aproximan al verdadero valor de la magnitud medida. La exactitud de un sensor se determina mediante la denominada calibracin esttica que consiste en mantener todas las entradas excepto una a valor constante, entonces la entrada en estudio se vara lentamente, anotando los valores de salida. La fidelidad es la cualidad que caracteriza la capacidad de un instrumento de medida de dar el mismo valor, al medir varias veces en las mismas condiciones (ambientales, operador, etc.), sin importar la concordancia o discrepancia con el valor real de la magnitud. La fidelidad implica que se tenga simultneamente una conformidad en las sucesivas lecturas y un nmero alto de cifras significativas y es una condicin necesaria pero no suficiente para la exactitud. La siguiente figura presenta Distintas situaciones de medida que indican la diferencia entre exactitud y fidelidad. En el caso a) hay una gran exactitud pero una baja fidelidad. En el caso b) la fidelidad es mayor pero hay una gran inexactitud

La sensibilidad o factor de escala es la pendiente de la curva de calibracin, que puede ser o no constante a lo largo de la escala de medida.Linealidad, resolucinLas tres caractersticas anteriores son suficientes para describir el comportamiento esttico de un sensor. Pero a veces se emplean otras que expresan caractersticas alternativas o de inters particular para ciertos casos. La linealidad expresa el grado de coincidencia entre la curva de calibracin y la lnea recta determinada. La linealidad puede ser dependiendo de dicha recta las siguientes:Linealidad independiente, cuando la lnea de referencia se define por el mtodo de mnimos cuadrados.Linealidad ajustada a cero, la recta se define por el mtodo de mnimos cuadrados pero con la restriccin de pasar por cero.Linealidad terminal, la recta se define por la salida sin entrada y la salida terica mxima, correspondiente a la mayor entrada admitida.Linealidad a travs de los extremos, la recta se define mediante la salida real cuando la entrada es la menor del alcance especificado, y la salida real cuando la entrada es la mxima del alcance especificado.Linealidad terica, la recta es la definida por las previsiones tericas formuladas al disear el sensor.En la siguiente figura se representan estas distintas rectas para un sensor con una curva de calibracin dada.

Rectas de referencias tomadas para definir la linealidad, a: mnimos cuadrados, b: mnimos cuadrados ajustada a cero, c: terminal, d: a travs de los extremos, e: terica.Los principales factores que influyen en la linealidad son: la resolucin, el umbral y la histresis. La resolucin o discriminacin es el incremento mnimo de la entrada para el que se obtiene un cambio en la salida. Cuando el incremento de la entrada se produce a partir de cero, se habla de umbral.La histresis se refiere a la diferencia en la salida para una misma entrada, segn la direccin en que se alcance. Es decir, puede suceder, anlogamente a la magnetizacin de los materiales ferromagnticos, que la salida correspondiente a una entrada dependa de si la entrada previa fue mayor o menor que la entrada actual.Errores sistemticosLa calibracin esttica de un sensor permite detectar y corregir los denominados errores sistemticos. Se dice de un error que es sistemtico cuando en el curso de varias medidas de una magnitud de un determinado valor, hechas en las mismas condiciones, o bien permanece constante en valor absoluto y signo, o bien vara de acuerdo con una ley definida cuando cambian las condiciones de medida. Dado que el tiempo tambin es una condicin de medida, estas deben ser realizadas en un intervalo de tiempo breve. Los errores sistemticos dan lugar a un sesgo en las medidas. La presencia de errores sistemticos puede descubrirse midiendo la misma magnitud con dos aparatos distintos, o con dos mtodos distintos, o dando las lecturas dos operarios distintos, o cambiando de forma ordenada las condiciones de medida y viendo su efecto en el resultado. En cualquier caso, siempre hay un cierto riesgo de que un error sistemtico pase inadvertido, incluso en las medidas de mayor calidad.Errores aleatoriosLos errores aleatorios son los que permanecen una vez eliminadas las causas de errores sistemticos. Se manifiestan cuando se mide repetidamente la misma magnitud, con el mismo instrumento y el mismo mtodo, y presenta las propiedades siguientes:1.- Los errores aleatorios positivos y negativos de igual valor absoluto tienen la misma probabilidad de producirse.2.- Los errores aleatorios son tanto menos probables cuanto mayor sea su valor.3.- Al aumentar el nmero de medidas, la media aritmtica de los errores aleatorios de una muestra tiende a cero.4.- Para un mtodo de medida determinado, los errores aleatorios no exceden de cierto valor. Las medidas que lo superan deben repetirse y en su caso, estudiarse por separado.Los errores aleatorios se denominan tambin errores accidentales o fortuitos, y ello da a entender que pueden ser inevitables. La ausencia de variaciones de unas a otras lecturas cuando se estn realizando una serie de medidas de la misma magnitud con el mismo sistema de medida, no es necesariamente una indicacin de ausencia de errores aleatorios. Puede suceder que el instrumento no tenga suficiente resolucin, es decir, que su capacidad para apreciar pequeos cambios en la magnitud medida sea muy limitada, de modo que no sean detectados por el operario en el dispositivo final de lectura.Si se hace la medida de varias lecturas, los errores aleatorios se cancelan y quedan slo los errores sistemticos. Ya que estos son reproducibles, se pueden conocer para unas condiciones de medida dadas y corregir la lectura cuando se mida en las mismas condiciones. Esta determinacin de la diferencia entre el verdadero valor y el valor obtenido se realiza durante la calibracin, en unas condiciones dadas, y durante este proceso se ajusta el instrumento para eliminar dicho error.

9. Caractersticas dinmicas de los sistemas de medidaLa presencia de inercias, capacidades y en general de elementos que almacenan energa, hace que la respuesta de un sensor a seales de entrada variables sea distinta a la que presenta cuando las seales de entrada son constantes, descrita mediante las caractersticas estticas.La descripcin del comportamiento del sensor se hace en este caso mediante las denominadas caractersticas dinmicas: error dinmico y velocidad de respuesta (retardo). El error dinmico es la diferencia entre el valor indicado y el valor exacto de la variable medida, siendo nulo el error esttico. Describe la respuesta del sensor a una magnitud de entrada segn que esta sea constante o variable en el tiempo.La velocidad de respuesta indica rapidez con que el sistema de medida responde a los cambios en la variable de entrada. En cuanto a la medida, no importa mucho que exista un retardo entre la magnitud aplicada a la entrada y la indicacin correspondiente a la salida. Pero si el sensor forma parte de un sistema de control, este retardo puede dar a lugar a oscilaciones.Para poder determinar las caractersticas dinmicas de un sensor, hay que aplicar a su entrada una magnitud variable. Para un sistema lineal debemos estudiar la respuesta frente a una entrada transitoria, peridica o aleatoria. La eleccin de una u otra depende del tipo de sensor.Para describir matemticamente el comportamiento dinmico del sensor, se supone que la salida y la entrada se relacionan segn una ecuacin diferencial lineal de coeficientes constantes y que, por lo tanto, se tiene un sistema lineal invariante en el tiempo. En estas condiciones, la relacin entre la salida y la entrada del sensor puede expresarse de manera simple, en forma de cociente, empleando la transformada de Laplace de ambas seales y la funcin de transferencia propia del sensor.Las caractersticas dinmicas de los sensores pueden estudiarse entonces para cada seal de entrada aplicada, agrupndolos de acuerdo con el orden de la funcin de transferencia que los describe. Normalmente no es necesario emplear modelos de orden superior a dos.Sistemas de medida de orden ceroUn sensor de orden cero es aquel cuya salida est relacionada con la entrada mediante una ecuacin del tipo y(t) = k.x(t) de forma que su comportamiento quede caracterizado por su sensibilidad esttica, k, y se mantiene constante con independencia de la frecuencia de variacin de la entrada. En consecuencia, tanto su error dinmico como su retardo son nulos.Sistemas de medida de primer ordenEn un sensor de primer orden hay un elemento que almacena energa y otro que la disipa. La relacin entre la entrada x(t) y la salida y(t) viene dada por una ecuacin diferencial del tipo .La funcin de transferencia correspondiente es donde k = 1/a0 es la denominada sensibilidad esttica, y t = a1/a0 se conoce como constante de tiempo del sistema. El sistema queda caracterizado por dos parmetros: k para la respuesta esttica y t para la respuesta dinmica.Sistemas de medida de segundo ordenUn sensor es de segundo orden cuando incluye dos elementos que almacenan energa y otros dos que la disipan. La relacin entre la entrada x(t) y la salida y(t) viene dada por una ecuacin diferencial lineal de segundo orden de la forma .La funcin de transferencia correspondiente es donde k = 1/a0 es la sensibilidad esttica, = a1/2(a0a2)1/2 es el coeficiente de amortiguamiento y wn (wn2 = a0/a2) es la frecuencia natural del sensor. Hacen falta dos parmetros para definir su comportamiento dinmico y uno para su comportamiento esttico.

10. Caractersticas de entrada: ImpedanciaLa descripcin de los sensores mediante sus caractersticas estticas y sus caractersticas dinmicas no es completa. Resulta que ni las caractersticas dinmicas de sensores permiten describir el comportamiento real del conjunto sensor-sistema donde se mide. Ello es debido a que la descripcin de un sensor o sistema de medida mediante esquema de bloques, deja al margen el hecho de que en todo proceso de medida es inevitable la extraccin de una cierta cantidad de energa del sistema donde se mide. Cuando, debido a esta circunstancia, la variable medida queda alterada, se dice que hay un error por carga. Los esquemas de bloques slo son vlidos cuando no hay interaccin energtica entre bloques. El concepto de impedancia de entrada permite valorar si se producir o no un error por carga.En el proceso de medida de una variable cualquiera x1 siempre interviene adems otra variable x2 tal que el producto x1.x2 tiene dimensiones de potencia. As, al medir una fuerza siempre se tiene una velocidad, al medir un caudal hay una cada de presin, al medir una temperatura hay un flujo de calor, al medir una corriente elctrica se produce una cada de tensin, etc. Por otra parte, las variables a medir que no sean mecnicas se designan como variables esfuerzo si se miden entre dos puntos o dos regiones del espacio, y como variables flujo si se miden en un punto o regin del espacio. En el caso de variables mecnicas se designan como variables esfuerzo las que se miden en un punto, mientras que las variables flujo se miden entre dos puntos. Son, por ejemplo, variables esfuerzo la tensin elctrica, la presin, la temperatura y Variables flujo la corriente elctrica, el caudal volumtrico, velocidad lineal y velocidad angular.Para el caso de un elemento que se pueda describir mediante relaciones lineales, la impedancia de entrada, Z(s), se define como el cociente entre las transformadas de Laplace de una variable esfuerzo y de la variable flujo asociada. La admitancia de entrada, Y(s), se define como el reciproco de Z(s). El valor de ambas vara normalmente con la frecuencia.Resulta entonces que para tener un error por carga mnimo, al medir una variable esfuerzo es necesario que la impedancia de entrada sea alta. Si x1 es una variable esfuerzo, Z(s) = x1(s)/x2(s). La potencia extrada del sistema ser P = x1.x2 y si se desea que esta potencia sea mnima, debe serlo x2 y de ah resulta que la impedancia de entrada debe ser grande. Al medir una variable flujo, para mantener P mnima es necesario que x1 sea pequea, y ello exige una impedancia de entrada pequea, es decir, una admitancia de entrada grande. Para tener impedancias de entrada altas, puede ser necesario cambiar el valor numrico de los componentes del sistema o cambiar el diseo y usar un elemento activo. En este caso, la mayor parte de energa viene de una fuente externa y no necesariamente del medio donde se mide. Otra alternativa es medir empleando el mtodo de cero, pues en este slo se extrae energa de forma importante cuando hay un cambio en el valor de la entrada.Finalmente, puede haber otras perturbaciones imputables no a una carga sino al propio mtodo de medida. Por ejemplo, si al medir la velocidad de un fluido se obstruye apreciablemente la seccin del conducto, se obtendr un resultado errneo. Queda bien claro que no se puede aplicar un sensor directamente sin considerar el efecto de su presencia en el sistema del que se desea obtener informacin.

11. Sensores primariosLoa sensores primarios son los dispositivos que permiten obtener una seal transductible a partir de la magnitud fsica a medir. Desde el punto de vista de los dominios de informacin, pueden contemplarse como elementos cuya entrada y salida pertenecen ambas al dominio fsico, mientras que los sensores electrnicos operan sobre su salida para hacer el paso al dominio elctrico. Los clasificamos segn la magnitud de entrada que detectan.Sensores de temperatura: bimetales Se denomina bimetal a toda pieza formada por dos metales con distinto coeficiente de dilatacin trmica unidos firmemente, por ejemplo mediante soldadura autgena, y sometidos a la misma temperatura. Cuando se produce un cambio de temperatura, la pieza se deforma segn un arco circular uniforme. Con la notacin de la figura, el radio de curvatura, r, al pasar de una temperatura T1 a otra T2 viene dado por: siendo:eel espesor total de la piezanla relacin entre mdulos de elasticidad = EB/EAmla relacin de espesores = eB/eAA, Blos coeficientes de dilatacin linealSi se emplean materiales con mdulos de elasticidad y espesores similares (m=1, n=1), la expresin anterior se reduce a .El radio de curvatura vara de forma inversamente proporcional a la diferencia de temperaturas, de modo que un sensor de posicin o de desplazamiento permitira la obtencin de una seal elctrica correspondiente.

Bimetal. Las dimensiones y curvatura se han exagerado para poder ilustrar mejor el principio de funcionamiento.Sensores de presin La medida de presiones en lquidos o gases es una de las ms frecuentes, particularmente en el control de procesos. La presin es una fuerza por unidad de superficie, y para su medida se procede a su comparacin con otra fuerza conocida, o a la deteccin de su efecto sobre un elemento elstico. En los manmetros de columna de lquido, como un tubo en U de la figura el resultado de la comparacin de la presin a medir y una presin de referencia es una diferencia de nivel de lquido h, donde es la densidad del lquido y g la aceleracin de la gravedad. Un sensor de nivel permite entonces obtener una seal elctrica.En la figura. Manmetro en U. El lquido debe ser compatible con el fluido cuya presin se desea medir, y el tubo debe soportar los esfuerzos mecnicos a que queda sometido.

Sensores de flujo y caudal Se denomina flujo al movimiento de fluidos por canales o conductos abiertos o cerrados. El caudal es la cantidad de material que fluye por unidad de tiempo. Las medidas de caudal estn presentes en todos los procesos de transporte de materia y energa mediante fluidos. La mayora de los caudalmetros se basan en mtodos de medida indirectos y en particular, en la deteccin de diferencias de presin provocadas por insercin de un elemento en el conducto donde se desea medir. Se denomina flujo viscoso o laminar al de un fluido a lo largo de un conducto recto, con paredes lisas y seccin transversal uniforme, donde la trayectoria de cada una de las partculas es paralela a las paredes del tubo y con la misma direccin. Se habla de flujo turbulento cuando algunas de las partculas del fluido poseen componentes de velocidad longitudinal y transversal, y aparecen remolinos o torbellinos.Segn el teorema de Bernoulli, todo cambio de velocidad provoca un cambio de sentido opuesto en la presin, cambio que es igual al que experimenta la energa cintica de la unidad de volumen, sumado a cualquier cambio debido a diferencia de nivel. Es decir P + gz + v2/2 = constante, donde:Pes la presin estticaes la densidad del fluido (incompresible)ges la aceleracin de la gravedadzes la altura geomtrica respecto un nivel de referenciav2/2se denomina presin dinmicaUn dispositivo simple, cuyo fundamento se puede describir mediante la expresin, es el tubo de pitot, empleado para determinar la magnitud de la velocidad de un fluido en un punto. En el caso de un canal abierto. Con un fluido incompresible y si friccin y flujo unidimensional de direccin conocida, si se dispone un tubo en ngulo recto con una abertura dirigida aguas arriba, el lquido penetra en el tubo y sube lo suficiente para que se equilibre la presin de la columna lquida con la fuerza producida por la velocidad al impactar el fluido enla abertura. Dado que enfrente de esta la velocidad es nula. Las lneas de flujo se reparten, crendose un punto de estancamiento. Se cumple, que, y como, al ser un canal abierto P1 = gh0, se tiene finalmente v2 = 2gh.

Tubo de Pitot en canal abiertoEn un tubo cerrado hay que medir la presin esttica mediante un manmetro y la presin total, Pt. Mediante un tubo de Pitot, se hacen las dos medidas a la vez, al obtener la relacin entre la velocidad y la diferencia entre ambas presiones, resulta ser v2 = 2(Pt P)/.

Tubo de Pitot en canal cerrado. El manmetro mide la diferencia entre la presin total y la presin esttica, y puede ser de tipo electrnicoEl tubo de Pitot es utilizado frecuentemente en aviacin para medir la velocidad del aire. Los caudalmetros de obstruccin son los ms frecuentes, se denomina obstruccin a una restriccin de flujo de rea constante. En ella se produce una cada de presin que depende del flujo, segn se demuestra seguidamente. De esta forma, la medida de caudal se reduce a una medida de presin diferencial.Los rotmetros son indicadores de caudal medio, consisten en un tubo de conicidad uniforme y un obturador ranurado, dispuesto en su interior, que es arrastrado por el fluido, a lo que se opone con su peso. El fluido, lquido o gas, circula de abajo arriba. Si aumenta el caudal, el obturador se eleva de modo que el rea de paso sea mayor y la diferencia de presiones se mantenga constante. El desplazamiento del obturador indica as el caudal de fluido.

Placas de obstruccin para la medida de caudal empleando un sensor de presin diferencial.

Caudalmetro de rea variable: rotmetroSensores de nivel El mtodo ms simple para medir el nivel de un lquido es sumergir una regla graduada y ver la longitud que queda mojada al extraerla, pero no se presta fcilmente a la automatizacin. Para obtener una seal elctrica se puede emplear un flotador con una conexin mecnica que en virtud del principio de Arqumedes, convierte el desplazamiento de la superficie libre en una fuerza o par, y esto en un ngulo de giro. Otra posibilidad es emplear un flotador con una polea y un contrapeso: el ngulo girado por la polea es proporcional al nivel de lquido. Para evitar que el flotador derive por la superficie, se encierra en un tubo-gua. Para evitar el depsito de sustancias en su superficie, tiene forma ahusada.

Diversos sensores de nivel basados en flotadorSensores de fuerza y par Un mtodo para medir una fuerza (o un par de fuerzas) consiste en compararla con otra conocida con exactitud, como se hace en las balanzas. Otro mtodo consiste en medir el efecto de la fuerza sobre un elemento elstico, denominado clula de carga. En las clulas de carga elctricas, el efecto es una deformacin o desplazamiento. En las clulas de cargas hidrulicas y neumticas, el efecto es un aumento de la presin de un lquido o un gas, respectivamente. Al aplicar un esfuerzo mecnico a un elstico inmvil, este se deforma hasta que las tensiones generadas por la deformacin igualan las debidas al esfuerzo aplicado. El resultado es un cambio en las dimensiones del elemento, que si tiene una forma apropiada puede ser proporcional al esfuerzo mecnico.

Distintas formas de muelles con deflexin lineal y angular

12. Materiales empleados en sensoresLos sensores se basan en fenmenos fsicos o qumicos y en materiales donde dichos fenmenos se manifiestan de una forma til, es decir, con sensibilidad, repetitividad y especificidad suficientes. Los fenmenos pueden ser relativos al material en s o a su disposicin geomtrica, y muchos de ellos son conocidos desde hace tiempo. Las mayores novedades en sensores se deben al descubrimiento de nuevos materiales, de formas de prepararlos, o a ambas cosas. Para sensores interesan los efectos sobre las propiedades elctricas de los materiales, y la propiedad bsica es la conductividad elctrica. Atendiendo a esta, los materiales se clasifican en: conductores, semiconductores y dielctricos (aislantes). Conductores, semiconductores y dielctricos Hay dos tipos de conductores: los electrnicos, que son los metales y sus aleaciones, y los inicos, que son los electrolitos. La movilidad de los electrones en los metales es relativamente pequea debido a las vibraciones aleatorias de los ncleos atmicos de la red. Los metales y aleaciones se emplean como sensores por sus propiedades termoelctricas, por la variacin de su conductividad con la temperatura y la deformacin, o simplemente porque su alta conductividad elctrica facilita la formacin de circuitos donde una variable a medir produce cambios detectables. Tambin se emplean como sensores primarios, por ejemplo en bimetales o elementos deformables. Algunos metales se emplean por sus propiedades magnticas, mientras que otros se emplean como electrodos y catalizadores de reacciones qumicas. Los electrolitos se emplean, sobre todo, en sensores qumicos.Los semiconductores son el grupo de materiales cuyo uso en sensores ha experimentado ltimamente el mayor crecimiento. Tienen enlaces covalentes y su conductividad elctrica viene afectada por la temperatura, la deformacin mecnica, la luz, los campos elctricos y magnticos, las radiaciones corpusculares y electromagnticas, y la absorcin de sustancias diversas. Estos efectos son adems controlables mediante la adicin de impurezas. Por otra parte, el silicio, es el material mejor conocido gracias a su extenso uso en electrnica, permite integrar junto al sensor diversas funciones de procesamiento de la seal detectada, y se presta a tcnicas de fabricacin en gran escala.Los dielctricos estn formados por enlaces covalentes y por ello se emplean, ante todo, como aislantes elctricos. Pero adems se emplean para la deteccin, por ejemplo en condensadores variables donde la composicin afecta a la constante dielctrica. Otros dielctricos se emplean por sus propiedades higroscpicas como sensores de humedad, que afecta a su conductividad y constante dielctrica. Pero los dielctricos ms empleados en sensores son las cermicas, los polmeros orgnicos y el cuarzo.Las cermicas resisten la corrosin, la abrasin y las altas temperaturas. Por ello han sido tradicionalmente el material de soporte de otros materiales sensores, clsicos y en las tecnologas de pelculas gruesa y fina.Los polmeros orgnicos son macromolculas formadas al unirse entre s, mediante enlaces covalentes, un gran nmero de molculas iguales o monmeros. La unin puede hacerse formando cadenas lineales o tridimensionales. Los plsticos se obtienen aadiendo a un polmero una carga o material de relleno que se adhiere fuertemente. Los plsticos son aislantes, pero hay al menos cuatro tipos de polmeros que se emplean por sus propiedades sensoras: de humedad, piro y piezoelctricas, elastmeros y polmeros conductores.Materiales magnticos Los materiales magnticos pueden ser dbilmente o fuertemente magnticos. En los primeros la permeabilidad magntica no depende de la intensidad del campo aplicado. Pertenecen a este grupo los materiales diamagnticos y los paramagnticos. En los materiales fuertemente magnticos la permeabilidad depende de la intensidad del campo magntico. En este grupo estn los materiales ferromagnticos y ferrimagnticos. Los materiales ferromagnticos pueden considerarse formados por numerosos volmenes elementales o dominios, cada uno con una magnetizacin en una direccin dada. Si los momentos magnticos de los diversos dominios tienen direcciones distintas, el material est desmagnetizado. Pero si hay un cierto grado de alineamiento entre dominios, el material est magnetizado. La permeabilidad magntica de los materiales ferromagnticos depende de la temperatura: va creciendo conforme aumenta esta, hasta alcanzar la temperatura de Curie, distinta para cada material, donde u es la mxima. A partir de ah desciende bruscamente por que las regiones de magnetizacin espontanea se alteran por el movimiento trmico, y el material tiene comportamiento paramagntico.Los materiales ferrimagnticos son sustancias cristalinas en las que los momentos magnticos de los iones prximos se orientan antiparalelamente, pero con una cierta preponderancia de un sentido sobre el otro, por lo que pueden alcanzar una magnetizacin neta apreciable. Tienen estructura de dominios y punto Curie, por lo que su comportamiento es similar al de las sustancias ferromagnticas.

Magnetizacin de materiales ferromagnticos13. Tcnicas de preparacin de materiales para microsensoresLos materiales para microsensores se preparan segn su naturaleza, el principio de deteccin deseado y la aplicacin. a) Tcnicas de pelcula gruesa. La tecnologa de pelcula gruesa emplea pastas o tintas que contienen dispersos metales ordinarios o nobles, de modo que pueden ser conductoras, resistivas o dielctricas. Dichas pastas se depositan sobre un sustrato cermico, de acuerdo con la geometra predefinida del circuito a realizar, con lneas de 50 a 200 um. De ancho, y se funden sometindolas a temperaturas elevadas en un horno, normalmente en una atmosfera de aire.b) Tcnicas de pelcula fina. Las pelculas finas se obtienen mediante deposicin al vaco sobre un sustrato de almina pulida de muy alta pureza o vidrios de baja alcalinidad. El trazado de los circuitos se define mediante mscaras y fotolitografa, de forma anloga a los circuitos integrados monolticos. Aunque el nombre pudiera sugerir que la nica diferencia entre estas y las pelculas gruesas est en el espesor, en realidad son tcnicas totalmente distintas. Ms an, si las pelculas finas se mentalizan, su espesor puede superar entonces el de las pelculas gruesas.c) Micromecanizado. El Micromecanizado es un conjunto de procesos para producir componentes micromecnicos tridimensionales. Se trata de procesos similares a los empleados para fabricar circuitos integrados, por ejemplo tcnicas fotolitogrficas para transferir la trama de una mscara a la superficie de una oblea. Despus se elimina el material en las zonas y direcciones de inters mediante ataque selectivo de dicha superficie. Las microestructuras obtenidas son planares, y se interconectan varias capas para definir microestructuras tridimensionales.

Microestructuras obtenidas por Micromecanizado. a) Diafragma. b) Puente. c) Voladizo. d) Membrana flotante

14. Bibliografa:

Palls Areny, Ramn. Captulo 1. Introduccin a los sistemas de medida. Sensores y Acondicionadores de Seal. 4ta Edicin. Marcombo, S.A., 2005. Paginacin (Captulo 1 pp. 01-50). Transductores, Sensores y Captadores. Consultado: 24 abril 2015. Disponible en:http://www.juntadeandalucia.es/averroes/~23005153/d_tecnologia/bajables/2%20bachillerato/TRANSDUCTORES,%20SENSORES%20Y%20CAPTADORES.pdf Tema 4. Transductores. Consultado: 24 abril 2015. Disponible en: http://www.uv.es/~navasqui/Tecnologia/Tema4.pdf

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