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Núcleo de Monagas
Ingeniería de Sistemas
Cursos Especiales de Grado
Automatización y Control de Procesos Industriales
Maturin, Marzo 2014
Equipo CAD
Jonathan Araul C.I.: 18.693.713
Carlos Vasquez C.I.: 19.091.532
Tutor: Ing. Edgar Goncalves
TEMA 4.- Sensores Mecánicos y
Eléctricos
Unidad II.- Sensores
Instrumentación y Control Industrial
1
ÍNDICE
ÍNDICE .................................................................................................................................. 0
INTRODUCCIÓN................................................................................................................. 2
MARCO TEÓRICO.............................................................................................................. 3
1. DEFINICIONES BASICAS ........................................................................................ 3
2. SENSORES MECÁNICOS........................................................................................ 3
2.1 TIPOS DE SENSORES ........................................................................................... 4
2.2 CLASIFICACIÓN...................................................................................................... 4
2.3 VENTAJAS Y DESVENTAJAS.............................................................................. 5
3.S ENSORES ELECTRICOS ...................................................................................... 5
DISCUSIÓN.......................................................................................................................... 6
CONCLUSIONES................................................................................................................ 7
BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................................... 8
2
INTRODUCCIÓN
Desde tiempos remotos el hombre se ha interesado por medir las
propiedades de la naturaleza para su propio beneficio, desarrollando dispositivos
capaces de realizar estas tareas e inclusive de transformar señales de un tipo de
forma a otro, lo que trajo como consecuencia la aparición de los transductores.
Más sin embargo, los transductores que serán objeto de nuestro estudio son
aquellos con la capacidad de generar una salida de señal eléctrica.
Un sensor en cambio es un dispositivo capaz de obtener una señal de
salida en función de la señal medida, este posee un significado de mayores
proporciones dado que es posible que dichas señales sean de la misma
naturaleza. Tanto los sensores como los transductores pueden ser tan variados
como lo son los principios físicos en los que se basan. A continuación nos
centraremos en los sensores que operan sobre las magnitudes físicas de la
naturaleza, los cuales se conocen como mecánicos, son utilizados generalmente
para medir desplazamiento, posición, tensión, movimiento, presión y flujo.
Los sensores mecánicos operan desde diferentes tipos de funcionamientos
conocidos como efecto piezoresistivo y piezoeléctrico, los cuales tienen diferentes
aplicaciones en la industria, según el tipo de necesidades que se requieran. A su
vez poseen ventajas tales como precisión, capacidad de detectar presencia de
otros elementos y desventajas como capacidad de desgaste y tamaño.
3
MARCO TEÓRICO
1. DEFINICIONES BASICAS
Se denomina transductor, en general, a todo dispositivo que convierte una
señal de una forma física en una señal correspondiente pero de otra forma física
distinta. Es, por tanto, un dispositivo que convierte un tipo de energía en otro.
Dado que hay seis tipos de señales: mecánicas, térmicas, magnéticas,
eléctricas, ópticas y moleculares (químicas), cualquier dispositivo que convierta
una señal de un tipo en una señal de otro tipo debería considerarse un
transductor, y la señal de salida podría ser de cualquier forma física "útil". En la
práctica, no obstante, se consideran transductores por antonomasia aquellos que
ofrecen una señal de salida eléctrica. Ello se debe al interés de este tipo de
señales en la mayoría de procesos de medida.
Un sensor es un dispositivo que a partir de la energía del medio donde se
mide, da una señal de salida transductible que es función de la variable medida.
Sensor y transductor se emplean a veces como sinónimos, pero sensor
sugiere un significado más extenso: la ampliación de los sentidos para adquirir un
conocimiento de cantidades físicas que, por naturaleza o tamaño, no pueden ser
percibidas directamente por los sentidos. Transductor, en cambio, sugiere que la
señal de entrada y la de salida no deben ser homogéneas.
Un sensor es un dispositivo capaz de detectar magnitudes físicas o
químicas, llamadas variables de instrumentación, y transformarlas en variables
eléctricas.
Los sensores son tan diversos como los principios físicos en los que se
basan.
En la actualidad para medir cualquier variable física tenemos diversos tipos de
sensores, con sus ventajas y desventajas.
2. SENSORES MECÁNICOS
Son dispositivos que cambian su comportamiento bajo la acción de una
magnitud física que pueden directa o indirectamente transmitir una señal que
indica cambio.
Directamente: la conversión de una forma de energía a otra se llaman
transductores.
Indirecta: Sus propiedades como la resistencia, la capacitancia o inductancia.
La señal de un sensor puede ser usada para detectar y corregir las
desviaciones de los sistemas de control, e instrumentos de medición.
Son interruptores que se activan por la pieza de seguimiento.
Estos sensores tienen dos posiciones diferentes, dentro y fuera, abierta o
cerrada y que sirven para definir el estado del monitor de escenario.
4
Los sensores mecánicos son utilizados para medir: Desplazamiento,
posición, tensión, movimiento, presión, flujo.
Existen dos tipos de funcionamiento:
Efecto piezoresistivo: convierte una tensión aplicada en un cambio en la
resistencia que puede sentirse circuitos electrónicos tales como el puente de
Wheatstone. El efecto piezoresistivo puede usarse en sensores que miden
presión.
Efecto piezoeléctrico: convierte una tensión (fuerza) aplicada en una
diferencia de potencial eléctrica. El efecto piezoeléctrico es reversible, así que un
cambio en el voltaje también genera una fuerza y un cambio correspondiente en el
espesor.
En la industria, el principio piezoeléctrico puede utilizarse en sensores
utilizados para medir presiones, fuerzas y control de las herramientas de las
máquinas y medición de vibraciones.
2.1 TIPOS DE SENSORES
Sensor tunneling: El efecto tunneling es un método extremadamente
exacto para sentir desplazamientos a escala nanómetros.
Pero su naturaleza altamente no lineal requiere el uso de control de
retroalimentación para hacerlo útil.
Sensores capacitivos o sandwich: estos sensores tienen una lámina fija y
otra móvil. Cuando una fuerza se aplica a la lámina móvil, el cambio en
capacitancia origina un desplazamiento.
Sensores limitswitch, más conocidos como sensores de final de
carrera o sensor de contacto, son dispositivos eléctricos, neumáticos o mecánicos
situados al final del recorrido de un elemento móvil.
2.2 CLASIFICACIÓN
El principio de funcionamiento de los sensores mecánicos es Pasivo.
Según el tipo de señal eléctrica que genera se clasifican en los Análogos.
Según el nivel de integración se clasifican en sensores Discretos.
Según el tipo de variable física medida se clasifican en sensores de
desplazamiento, posición, tensión, movimiento, presión y flujo.
La frecuencia máxima que puede ser utilizada con los sensores mecánicos
es 100Hz, ya que cuando es mayor la lectura puede que no sea buena por la
rapidez de la frecuencia.
5
2.3 VENTAJAS Y DESVENTAJAS
VENTAJAS
Detectan la ausencia o presencia de elementos.
No se equivocan en la medición si se trabaja a una frecuencia correcta y al
tener contacto directo con el sensor la medida siempre es exacta.
DESVENTAJAS
Por tener contacto directo con los objetos a medir tienen desgaste en la pieza.
Poca resistencia a la oxidación, por estar al aire libre el clima puede afectarlo.
Son normalmente muy grandes, necesitan un espacio mayor frente a otros
elementos sensoricos.
3. SENSORES ELECTRICOS
Los sensores eléctricos, son dispositivos que son capaces de captar los
cambios en el tiempo de una determinada magnitud física (temperatura, humedad,
movimiento etc.) y entregar una respuesta, en forma de señal eléctrica, ajustable
según la variación que están captando. Cada tipo de sensor se diferencia por el
material constructivo y la forma con que se trata ese material.
6
DISCUSIÓN
Los transductores son dispositivos con la capacidad de transformar una
señal física en otra de diferente carácter, por ejemplo térmica-eléctrica, mecánica-
eléctrica entre otras, es importante resaltar que los elementos con salidas
eléctricas los más estudiados e implementados en la industria.
A diferencia los sensores, son artefactos con un significado de mayor
proporción dado que estos pueden generar salida de la misma naturaleza que la
entrada, en función de la misma, estos pueden ser utilizados para medir una
amplia variedad de señales físicas o químicas, más sin embargo desde un punto
de vista industrial, los más estudiados son los eléctricos, por sus aplicaciones
prácticas.
Los sensores poseen propiedades que suelen ser utilizadas como la
resistencia, inductancia y capacitancia, sus señales a su vez se usan en los
sistemas de control, con el objeto de ajustar las magnitudes de entrada, de
acuerdo a magnitudes de referencia, para obtener salidas acordes con lo deseado.
Los sensores actúan de acuerdo a dos principios de funcionamiento, el efecto
piezoresistivo y el piezoeléctrico, el primero convierte la señal de entrada en un
cambio en la resistencia, mientras que el segundo en un diferencial eléctrico. Cada
uno posee distintas aplicaciones dentro de la industria.
Existen tres tipos de sensores mecánicos, los de tunneling caracterizados
por ser usados para detectar desplazamientos a las escalas más reducidas, los
capacitivos, conocidos por su formación a través de láminas y los de final de
carrera, ubicados por lo general en la parte final de los dispositivos.
Como todos los elementos, los sensores mecánicos poseen una serie de
ventajas y desventajas, como puntos a favor se puede señalar que son altamente
precisos, posibilitan detectar la presencia o ausencia de dispositivos, mientras que
como características adversas, poseen una elevada capacidad de desgaste,
poseen un tamaño muy considerable en consideración con otros artefactos y son
proclives a sufrir de rápida oxidación.
Los sensores mecánicos poseen un alto grado de aplicaciones industriales,
por ende es conveniente comprender su funcionamiento, para su correcto uso
independientemente de la fuerza o magnitud que se desee medir o estudiar.
7
CONCLUSIONES
Tanto los sensores como los transductores son dispositivos con la
capacidad de transformar una señal (mecánica, térmica, magnética, eléctrica,
óptica o molecular) en otra, se diferencian en que los primeros siempre realizan la
transformación en otro tipo de unidades, en cambio los sensores pueden operar
en función de las mismas, de forma homogénea. Pese a que existen sensores de
múltiples tipos, los más estudiados son aquellos que tienen la capacidad de
generar salidas eléctricas independientemente del tipo de entrada.
Los sensores mecánicos son aquellos que operan con cualquier tipo de
variables físicas, para generar las funciones de señales que son requeridas, estos
poseen numerosas ventajas como una gran exactitud siempre que operen en la
frecuencia correcta y permiten detectar la presencia de dispositivos. Entre sus
desventajas podemos citar que por lo general son de tamaño considerable, con
tendencia a la oxidación y al rápido desgaste.
Los sensores se consideran elementos de tipo pasivos, análogos y
discretos, poseen una amplia aplicación en la industria, dado que son utilizados en
todas las plantas industriales para realizar tareas muy específicas.
8
BIBLIOGRAFÍA
Ramón Pallás Areny (2003) Sensores y acondicionadores de señal,tercera
edición. España Editorial MARCOMBO S.A.
Rolando Agudelo Alvarez (2012). Sensores mecánicos. Extraído el 06 de
Marzo de 2014 desde
http://automatizacionindustrialiue.blogspot.com/2012/02/sensores-
mecanicos.html

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Sensores mecánicos y eléctricos para instrumentación y control industrial

  • 1. 0 Universidad de Oriente Núcleo de Monagas Ingeniería de Sistemas Cursos Especiales de Grado Automatización y Control de Procesos Industriales Maturin, Marzo 2014 Equipo CAD Jonathan Araul C.I.: 18.693.713 Carlos Vasquez C.I.: 19.091.532 Tutor: Ing. Edgar Goncalves TEMA 4.- Sensores Mecánicos y Eléctricos Unidad II.- Sensores Instrumentación y Control Industrial
  • 2. 1 ÍNDICE ÍNDICE .................................................................................................................................. 0 INTRODUCCIÓN................................................................................................................. 2 MARCO TEÓRICO.............................................................................................................. 3 1. DEFINICIONES BASICAS ........................................................................................ 3 2. SENSORES MECÁNICOS........................................................................................ 3 2.1 TIPOS DE SENSORES ........................................................................................... 4 2.2 CLASIFICACIÓN...................................................................................................... 4 2.3 VENTAJAS Y DESVENTAJAS.............................................................................. 5 3.S ENSORES ELECTRICOS ...................................................................................... 5 DISCUSIÓN.......................................................................................................................... 6 CONCLUSIONES................................................................................................................ 7 BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................................... 8
  • 3. 2 INTRODUCCIÓN Desde tiempos remotos el hombre se ha interesado por medir las propiedades de la naturaleza para su propio beneficio, desarrollando dispositivos capaces de realizar estas tareas e inclusive de transformar señales de un tipo de forma a otro, lo que trajo como consecuencia la aparición de los transductores. Más sin embargo, los transductores que serán objeto de nuestro estudio son aquellos con la capacidad de generar una salida de señal eléctrica. Un sensor en cambio es un dispositivo capaz de obtener una señal de salida en función de la señal medida, este posee un significado de mayores proporciones dado que es posible que dichas señales sean de la misma naturaleza. Tanto los sensores como los transductores pueden ser tan variados como lo son los principios físicos en los que se basan. A continuación nos centraremos en los sensores que operan sobre las magnitudes físicas de la naturaleza, los cuales se conocen como mecánicos, son utilizados generalmente para medir desplazamiento, posición, tensión, movimiento, presión y flujo. Los sensores mecánicos operan desde diferentes tipos de funcionamientos conocidos como efecto piezoresistivo y piezoeléctrico, los cuales tienen diferentes aplicaciones en la industria, según el tipo de necesidades que se requieran. A su vez poseen ventajas tales como precisión, capacidad de detectar presencia de otros elementos y desventajas como capacidad de desgaste y tamaño.
  • 4. 3 MARCO TEÓRICO 1. DEFINICIONES BASICAS Se denomina transductor, en general, a todo dispositivo que convierte una señal de una forma física en una señal correspondiente pero de otra forma física distinta. Es, por tanto, un dispositivo que convierte un tipo de energía en otro. Dado que hay seis tipos de señales: mecánicas, térmicas, magnéticas, eléctricas, ópticas y moleculares (químicas), cualquier dispositivo que convierta una señal de un tipo en una señal de otro tipo debería considerarse un transductor, y la señal de salida podría ser de cualquier forma física "útil". En la práctica, no obstante, se consideran transductores por antonomasia aquellos que ofrecen una señal de salida eléctrica. Ello se debe al interés de este tipo de señales en la mayoría de procesos de medida. Un sensor es un dispositivo que a partir de la energía del medio donde se mide, da una señal de salida transductible que es función de la variable medida. Sensor y transductor se emplean a veces como sinónimos, pero sensor sugiere un significado más extenso: la ampliación de los sentidos para adquirir un conocimiento de cantidades físicas que, por naturaleza o tamaño, no pueden ser percibidas directamente por los sentidos. Transductor, en cambio, sugiere que la señal de entrada y la de salida no deben ser homogéneas. Un sensor es un dispositivo capaz de detectar magnitudes físicas o químicas, llamadas variables de instrumentación, y transformarlas en variables eléctricas. Los sensores son tan diversos como los principios físicos en los que se basan. En la actualidad para medir cualquier variable física tenemos diversos tipos de sensores, con sus ventajas y desventajas. 2. SENSORES MECÁNICOS Son dispositivos que cambian su comportamiento bajo la acción de una magnitud física que pueden directa o indirectamente transmitir una señal que indica cambio. Directamente: la conversión de una forma de energía a otra se llaman transductores. Indirecta: Sus propiedades como la resistencia, la capacitancia o inductancia. La señal de un sensor puede ser usada para detectar y corregir las desviaciones de los sistemas de control, e instrumentos de medición. Son interruptores que se activan por la pieza de seguimiento. Estos sensores tienen dos posiciones diferentes, dentro y fuera, abierta o cerrada y que sirven para definir el estado del monitor de escenario.
  • 5. 4 Los sensores mecánicos son utilizados para medir: Desplazamiento, posición, tensión, movimiento, presión, flujo. Existen dos tipos de funcionamiento: Efecto piezoresistivo: convierte una tensión aplicada en un cambio en la resistencia que puede sentirse circuitos electrónicos tales como el puente de Wheatstone. El efecto piezoresistivo puede usarse en sensores que miden presión. Efecto piezoeléctrico: convierte una tensión (fuerza) aplicada en una diferencia de potencial eléctrica. El efecto piezoeléctrico es reversible, así que un cambio en el voltaje también genera una fuerza y un cambio correspondiente en el espesor. En la industria, el principio piezoeléctrico puede utilizarse en sensores utilizados para medir presiones, fuerzas y control de las herramientas de las máquinas y medición de vibraciones. 2.1 TIPOS DE SENSORES Sensor tunneling: El efecto tunneling es un método extremadamente exacto para sentir desplazamientos a escala nanómetros. Pero su naturaleza altamente no lineal requiere el uso de control de retroalimentación para hacerlo útil. Sensores capacitivos o sandwich: estos sensores tienen una lámina fija y otra móvil. Cuando una fuerza se aplica a la lámina móvil, el cambio en capacitancia origina un desplazamiento. Sensores limitswitch, más conocidos como sensores de final de carrera o sensor de contacto, son dispositivos eléctricos, neumáticos o mecánicos situados al final del recorrido de un elemento móvil. 2.2 CLASIFICACIÓN El principio de funcionamiento de los sensores mecánicos es Pasivo. Según el tipo de señal eléctrica que genera se clasifican en los Análogos. Según el nivel de integración se clasifican en sensores Discretos. Según el tipo de variable física medida se clasifican en sensores de desplazamiento, posición, tensión, movimiento, presión y flujo. La frecuencia máxima que puede ser utilizada con los sensores mecánicos es 100Hz, ya que cuando es mayor la lectura puede que no sea buena por la rapidez de la frecuencia.
  • 6. 5 2.3 VENTAJAS Y DESVENTAJAS VENTAJAS Detectan la ausencia o presencia de elementos. No se equivocan en la medición si se trabaja a una frecuencia correcta y al tener contacto directo con el sensor la medida siempre es exacta. DESVENTAJAS Por tener contacto directo con los objetos a medir tienen desgaste en la pieza. Poca resistencia a la oxidación, por estar al aire libre el clima puede afectarlo. Son normalmente muy grandes, necesitan un espacio mayor frente a otros elementos sensoricos. 3. SENSORES ELECTRICOS Los sensores eléctricos, son dispositivos que son capaces de captar los cambios en el tiempo de una determinada magnitud física (temperatura, humedad, movimiento etc.) y entregar una respuesta, en forma de señal eléctrica, ajustable según la variación que están captando. Cada tipo de sensor se diferencia por el material constructivo y la forma con que se trata ese material.
  • 7. 6 DISCUSIÓN Los transductores son dispositivos con la capacidad de transformar una señal física en otra de diferente carácter, por ejemplo térmica-eléctrica, mecánica- eléctrica entre otras, es importante resaltar que los elementos con salidas eléctricas los más estudiados e implementados en la industria. A diferencia los sensores, son artefactos con un significado de mayor proporción dado que estos pueden generar salida de la misma naturaleza que la entrada, en función de la misma, estos pueden ser utilizados para medir una amplia variedad de señales físicas o químicas, más sin embargo desde un punto de vista industrial, los más estudiados son los eléctricos, por sus aplicaciones prácticas. Los sensores poseen propiedades que suelen ser utilizadas como la resistencia, inductancia y capacitancia, sus señales a su vez se usan en los sistemas de control, con el objeto de ajustar las magnitudes de entrada, de acuerdo a magnitudes de referencia, para obtener salidas acordes con lo deseado. Los sensores actúan de acuerdo a dos principios de funcionamiento, el efecto piezoresistivo y el piezoeléctrico, el primero convierte la señal de entrada en un cambio en la resistencia, mientras que el segundo en un diferencial eléctrico. Cada uno posee distintas aplicaciones dentro de la industria. Existen tres tipos de sensores mecánicos, los de tunneling caracterizados por ser usados para detectar desplazamientos a las escalas más reducidas, los capacitivos, conocidos por su formación a través de láminas y los de final de carrera, ubicados por lo general en la parte final de los dispositivos. Como todos los elementos, los sensores mecánicos poseen una serie de ventajas y desventajas, como puntos a favor se puede señalar que son altamente precisos, posibilitan detectar la presencia o ausencia de dispositivos, mientras que como características adversas, poseen una elevada capacidad de desgaste, poseen un tamaño muy considerable en consideración con otros artefactos y son proclives a sufrir de rápida oxidación. Los sensores mecánicos poseen un alto grado de aplicaciones industriales, por ende es conveniente comprender su funcionamiento, para su correcto uso independientemente de la fuerza o magnitud que se desee medir o estudiar.
  • 8. 7 CONCLUSIONES Tanto los sensores como los transductores son dispositivos con la capacidad de transformar una señal (mecánica, térmica, magnética, eléctrica, óptica o molecular) en otra, se diferencian en que los primeros siempre realizan la transformación en otro tipo de unidades, en cambio los sensores pueden operar en función de las mismas, de forma homogénea. Pese a que existen sensores de múltiples tipos, los más estudiados son aquellos que tienen la capacidad de generar salidas eléctricas independientemente del tipo de entrada. Los sensores mecánicos son aquellos que operan con cualquier tipo de variables físicas, para generar las funciones de señales que son requeridas, estos poseen numerosas ventajas como una gran exactitud siempre que operen en la frecuencia correcta y permiten detectar la presencia de dispositivos. Entre sus desventajas podemos citar que por lo general son de tamaño considerable, con tendencia a la oxidación y al rápido desgaste. Los sensores se consideran elementos de tipo pasivos, análogos y discretos, poseen una amplia aplicación en la industria, dado que son utilizados en todas las plantas industriales para realizar tareas muy específicas.
  • 9. 8 BIBLIOGRAFÍA Ramón Pallás Areny (2003) Sensores y acondicionadores de señal,tercera edición. España Editorial MARCOMBO S.A. Rolando Agudelo Alvarez (2012). Sensores mecánicos. Extraído el 06 de Marzo de 2014 desde http://automatizacionindustrialiue.blogspot.com/2012/02/sensores- mecanicos.html