LUIS ANTONIO DOMINGUEZ LANDA
Mecatronica
SENSORES Y TRANSDUCTORES
E
l término sensor se refiere a un elemento que produce una señal relacionada con la cantidad que se está midiendo. Por ejemplo, en el caso de un elemento para medir temperatura mediante resistencia eléctrica, la cantidad que se mide es la temperatura y el sensor transforma una entrada de temperatura y el sensor transforma una entrada de temperatura en un cambio de resistencia. Con frecuencia se utiliza el término transductor en vez de sensor. Los transductores se definen como el elemento que al sostenerlo a un cambio físico experimenta un cambio relacionado. Es decir, los sensores son transductores. Sin embargo, es un sistema de medición se puedan utilizar transductores, además de sensres, en otras partes del sistema para convertir señales de una forma dada en otra distinta.
SENSORES
Sensores de luz Fotoresistores Componente electrónico cuya resistencia disminuye con el aumento de intensidad de luz incidente. El valor de resistencia eléctrica de un LDR es bajo cuandohay luz incidiendo en él y muy alto cuando está a oscuras
Fotoceldas Son pequeños dispositivos que producen una variación eléctrica en respuesta a un cambio en la intensidad de la luz, es unafuente de energía cuyo voltaje de salida varía en relación con la intensidad de la luz en su superficie.
Fotodiodos Es un semiconductor construido en una unión PN, y se comportan como célulasfotovoltaicas, es decir, en ausencia de luz exterior generan una tensión muy pequeña.
Fototransistores Transistor sensible a la luz, normalmente a los infrarrojos. La luz incide sobre la región debase, generando portadores en ella.
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LUIS ANTONIO DOMINGUEZ LANDA Cámaras de video Videocámara o cámara de televisión es un dispositivo que captura imágenes convirtiéndolas en señales eléctricas, en la mayoría de los casos a señalde vídeo, también conocida como señal de televisión. Una cámara de vídeo es un transductor óptico.
Reflectivos Están basados en el empleo de una fuente de señal luminosa (lámparas, diodos LED,diodos láser, etc.) y una célula receptora del reflejo de esta señal, que puede ser un fotodiodo, un fototransistor, LDR, incluso chips especializados, como los receptores de control remoto. Conelementos ópticos similares, es decir emisor-receptor, existen los sensores "de ranura" (en algunos lugares lo he visto referenciado como "de barrera"), donde se establece un haz directo entre el emisor y elreceptor, con un espacio entre ellos que puede ser ocupado por un objeto.
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TRANSDUCTORES – SENSORES Los sensores o transductores, en general, son dispositivos que transforman una cantidad física cualquiera, por ejemplo la temperatura en otra cantidad físicaequivalente, digamos un desplazamiento mecánico.
SENSOR: Un sensor es un dispositivo capaz de detectar magnitudes físicas o químicas, llamadas variables de instrumentación, y transformarlas en variables eléctricas. Las variables deinstrumentación pueden ser por ejemplo: temperatura, intensidad lumínica, distancia, aceleración, inclinación, desplazamiento, presión, fuerza, torsión, humedad, pH, etc. Una magnitud eléctrica puede seruna 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. Unsensor 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 suspropiedades 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 dedilatarse 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: Industriaautomotriz, 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, latoma de valores desde el sensor, etc. EJEMPLOS: *SENSORES TACTILES *SENSOR DE TEMPERATURA *SENSOR DE ACIDES *SENSOR DE PROXIMIDAD *TRANSDUCTORES *SENSOR ACUSTICO
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LUIS ANTONIO DOMINGUEZ LANDA Un transductor esun dispositivo capaz de transformar o convertir un determinado tipo de energía de entrada, en otra de diferente a la salida. El nombre del transductor ya nos indica cual es la transformación querealiza (p.e. electromecánica, transforma una señal eléctrica en mecánica o viceversa), aunque no necesariamente la dirección de la misma.pH, etc. Una magnitud eléctrica puede ser una resistencia electrica (como en una RTD), una capacidad electrica (como en un sensor de humedad ), una Tension electrica (como en un termopar ), unacorriente electrica (como en un fototransistor) , etc. Un sensor se diferencia de un traductor en que el sensor está siempre en contacto con la variable de instrumentación con lo que puede decirsetambién 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 termometro de mercurio queaprovecha 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, robótica, industria aeroespacial, medicina, industria de manufactura, etc. Los sensores pueden estar conectados a un computador paraobtener ventajas como son el acceso a una base de datos, la toma de valores desde el sensor, etc.
TRANSDUCTOR: Un transductor es un dispositivo capaz de transformar o convertir undeterminado tipo de energía de entrada, en otra diferente a la salida. El nombre del transductor ya nos indica cual es la transformación que realiza (por ejemplo electromecánica, transforma una señal.
TERMINOLOGÍA DEL FUNCIONAMIENTO Los siguientes términos son los empleado para definir el funcionamiento de los elementos sensores o transductores, y son una parte relevante para la selección de los mismo. Cabe aclarar que se mencionan solo los parametros mas relevantes, pero existen más definiciones que se dejan a cargo del alumno para su investigación.
Rango y Margen: El rango de un transductor define los límites entre los cuales puede variar la entrada. El margen es el valor maxímo de la entrada menos el valor mínimo. por
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ejemplo, una celda de carga utilizada para medir fuerzas, podria tener un rango de 0a 50 kN y un margen de 50 kN. Error: El error es la diferencia entre el resultado de una medición y el valor verdadero de la cantidad que se mide. Error = Valor medido - valor real
por ejemplo, si un sistema de medición marca un valor de temperatura de 25 ºC, cuando el valor real de la termperatura es 24 ºC, el error es +1 ºC. Si la temperatura real fuera 26 ºC, entonces el error sería -1 ºC.
Precisión: se refiere a la dispersión del conjunto de valores obtenidos de mediciones repetidas de una magnitud. Cuanto menor es la dispersión mayor la precisión. Exactitud: se refiere a cuán cerca del valor real se encuentra el valor medido.
Ejemplo:
Varias medidas son como disparadas hacia un objetivo. La exactitud describe la proximidad de las flechas al centro del objetivo. Las flechas que impactaron más cerca del centro se consideran más exactas. Cuanto más cerca están las medidas a un valor aceptado, más exacto es un sistema. Alta Exactitud Baja Precisión.
La precisión, en este ejemplo, es el tamaño del grupo de flechas. Cuanto más cercanas entre sí estén las flechas que impactaron el objetivo, más preciso será el sistema. Hay que notar que el hecho de que las flechas estén muy cercanas entre sí es independiente al hecho que estén cerca del centro del objetivo. En sí, se puede decir que la precisión es el grado de repetitividad del resultado. Se podría resumir que exactitud es el grado de veracidad, mientras que precisión es el grado de reproductibilidad. Alta Precisión baja Exactitud.
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Repetibidad/Reproducibilidad: Se utilizan para describir la capacidad del transductor para producir la misma salida después de aplicar varias veces el mismo valor de entrada. Cuando ya no se logra obtener la misma salida después de aplicar el valor de entrada, el error se expresa como procentaje de la salida a rango total.
Resolución: Cuando la entrada varía continuamente en todo el rango, las señalas de salida de algunos sensores pueden cambiar a pequeños intervalos. Un ejemplo es el potenciometro con devanado de alambre: la salida aumenta escalonadamente conforme el deslizador del potenciómetro pasa de un vuelta del devanado a otra. La resolución es el cambio minímo del valor de la entrada capaz de reproducir un cambio observable en la salida. Por ejemplo, la resolución de un potenciometro con devanado de alambre podria ser de 0,5º, o quizás un porcentaje de la desviación a escala total. Para sensores con salida digital, el cambio minímo de la señal sería de 1 bit.
Existen mas Variables como las antes mencionadas, como lo son:
Sensibilidad. Error por Histéresis. Error por no Linealidad. Estabilidad Banda/Tiempo Muerto. Impedancia de salida.
Asi como tambíen poseen características Estáticas y Dinámicas que solo las mencionaremos
Tiempo de respuesta. Constante de Tiempo. Tiempo de subida. Tiempo de Estabilización.
DESPLAZAMIENTO POSICIÓN Y PROXIMIDAD Los sensores de desplazamiento miden la magnitud que se desplaza un objeto; los sensores de posición determinan la posición de un objeto en relación con un punto de referencia. Los sensores de proximidad son una modalidad de sensores de posición y determinan en qué momento un objeto se INFORMATICA Página 6
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mueve dentro de una distancia crítica del sensor. Los anteriores son dispositivos cuyas salidas son, en esencia, del tipo todo o nada (encendido o apagado). Al elegir un sensor de desplazamiento, posición o proximidad, deberá tener en cuenta lo siguiente: 1. La magnitud del desplazamiento: ¿estamos hablando de fracciones de milímetros, de varios milímetros o quizás de metros? En el caso de un sensor de proximidad ¿que tanto debe aproximarse un objeto para detectarlo? 2. Si el desplazamiento es lineal o angular, los sensores de desplazamiento lineal sirven para monitorear el grosor u otras dimensiones de materiales en forma de hoja, la separación de rodillos, la posición o la existencia de un parte, dimensiones de ésta, etc; los métodos de desplazamiento angular sirven para monitorear el displazamiento angular de ejes. 3. La resolución que se necesita. 4. La exactitud que se necesita. 5. El material del que está hecho el objeto que se mide; algunos senssores sólo funcionan con materiales magnéticos, otros sólo con metales y algunos otros sólo con aislantes. 6. El costo. Los sensores de desplazamiento y de posición se pueden clasificar en dos tipos básicos: sensores de contacto, en los cuales, el objeto que se mide está en contacto mecánico con el sensor, y sensores sin contacto, en los que no hay contacto físico entre el objeto y el sensor. En los métodos de desplazamiento lineal por contacto, en general se utiliza un eje sensor en contacto directo con el objeto que se monitorea. El desplazamiento de este eje se monitorea mediante un sensor. Su movimiento se aprovecha para provocar cambios de voltaje eléctico, resistencia, capacidad o inductancia mutua. En el caso de los métodos de desplazamiento angular, en los que se utiliza una conexión mecánica mediante la rotación de un eje, la rotación del elemento transductor se activa directamente mediante engranajes. En los sensores que no hay contacto se recurre al objeto medido en las proximidades de dichos sensores, o quizá cambios en la presión del aire del sensor, o quizá cambios de inductancia o capacitancia. Los siguientes son ejemplos de sensores de desplazamiento de uso común.
SENSOR POTENCIAMETRICO
El fundamento teórico de los sensores potenciometritos es establecida por la ecuación de Nernst, que se basa en la medida de los potenciales eléctricos en materiales o soluciones para calcular la concentración de disoluciones iónicas, y consta básicamente de tres elementos: dispositivo de medida de potencial, electrodo de referencia y el electrodo selectivo a iones a caracterizar. Dispositivo de medida de potencial es el instrumento utilizado para medir el voltaje de la celda que forman el electrodo indicador y de referencia. En realidad es un voltímetro muy sensible que amplifica la débil señal eléctrica que producen los electrodos y permite lecturas de hasta 0.1 mV con gran exactitud. Los electrodos de referencia suelen ser de doble
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LUIS ANTONIO DOMINGUEZ LANDA unión o de calomelano respecto a los cuales se miden las variaciones de potencial. Finalmente, los electrodos selectivos a iones como su nombre indica son electrodos sensibles a la presencia de un tipo de ión en la solución y permiten su cuantificación. El término “selectivo’ quiere decir que son sensibles a una familia de iones de características similares, pero de entre todos ellos tienen mayor afinidad por uno en concreto. En la Figura 1 se presenta el montaje experimental empleado así como su esquema equivalente eléctrico. En los electrodos selectivos a iones (ISEs), la membrana es responsable tanto del reconocimiento selectivo como de la transformación del potencial generado en una señal eléctrica que se puede medir, es decir el receptor y el transductor están integrados en un único elemento. El sistema en la Figura 1 actúa como una pila, de forma que al sumergir los dos electrodos en la solución se establecerá un flujo momentáneo de iones en la interfase existente entre la membrana selectiva y la solución de trabajo, produciéndose una diferencia de potencial, cuya magnitud depende de la cantidad de iones presente en la solución.
Montaje experimental para realizar medidas potenciométricas utilizando un ISE y a la derecha su correspondiente esquema eléctrico.
La diferencia de potencial medida es la suma de tres contribuciones: la interacción entre la membrana sensora y el ión de interés, la interacción que se origina entre el elemento de referencia y el medio donde está insertado, proporcionando un potencial constante si la composición del medio de referencia y la temperatura no varían y por último la denominada unión liquida, que se origina entre la solución de trabajo y la solución interna del electrodo de referencia. Los clásicos electrodos de referencia empleados en potenciometría, calomelano y Ag/AgCl fijan su potencial utilizando una solución de cloruro de actividad constante. Frecuentemente es necesario el uso de una segunda disolución de electrolito que se interpone, mediante un puente salino, entre esta disolución interna de referencia y la muestra, con el fin de evitar la interacción entre ambas. Esta unión liquida representa una interfase donde un electrolito se difunde en el otro, siendo la causa del surgimiento de un potencial eléctrico, que contribuye al potencial de la celda, denominado potencial de unión líquida. Esta diferencia de potencial suele ser pequeña y normalmente es de magnitud desconocida. Por otra parte, debido a que el potencial de interfase interno y el potencial del electrodo de referencia interno son constantes, la medida del potencial que se genera en la celda electroquímica, representa únicamente el cambio de potencial que se produce a través de la superficie de la membrana del ISE, obteniéndose de esta forma información de la concentración de iones en la muestra.
TIPOS Y CONSTRUCCIÓN DE SENSORES POTENCIOMÉTRICOS INFORMATICA Página 8
LUIS ANTONIO DOMINGUEZ LANDA Los sensores potenciométricos simplemente miden el potencial de equilibrio termodinámico y en el cual esencialmente no fluye corriente neta. El instrumental necesario para las medidas potenciométricas comprende un electrodo de referencia, un electrodo indicador y un dispositivo de medida de potencial; la construcción de los sensores potenciométricos depende del tipo de solución que de desea medir, y el tipo de electrodo que se utilice, ya sea el electrodo de referencia o el electrodo indicador.
DE ESTADO SÓLIDO
no es tan resistente como la de
DE ESTADO LÍQUIDO
los sensores de estado sólido por lo que son diseñados con un
Son aquellos disponibles como
Son sensores cuyos Electrodos
electrodos de media celda o electrodos combinados con
son de Membrana Líquida donde La superficie sensible de estos
módulo de membrana fácilmente reemplazable.
electrodo de referencia. Estos electrodos incorporan una
electrodos está hecha de una composición homogénea de
SENSORES DE GAS
superficie sólida sensible hecha de haluros de plata comprimidos,
polímero que contiene un intercambiador iónico de
combinados que detectan gases disueltos en solución. Estos
o un material sólido cristalino. Estos sensores se utilizan para la
naturaleza orgánica para el ión determinado. Estos sensores
electrodos no requieren una referencia externa. El elemento
determinación de bromuro, cloruro, ioduro, cobre (2+),
incorporan un módulo de membrana fácilmente
sensor está separado de la muestra en solución por una
cianuro, fluoruro, iones de plata y plomo. La construcción del
reemplazable, y están disponibles para mediciones de nitratos,
membrana permeable al gas. Un sensor de gas trabaja gracias a la
cuerpo sólido es robusta para una larga vida. Estan basados en
potasio y calcio. Los primeros electrodos de membrana líquida
presión parcial del gas medido en la solución. El gas disuelto en la
un electrodo de estado sólido, el cual desarrolla un voltaje debido
que fueron desarrollados fue el de potasio. La membrana es
muestra se difunde dentro de la membrana y cambia el pH de una
a un intercambio iónico que se genera entre la muestra y la
generalmente utilizada en forma de un disco delgado de PVC
capa límite de electrolito en la superficie interna del sensor de
membrana inorgánica. Un mecanismo de equilibrio ocurre
impregnada con antibiótico de valinomicina. El intercambiador,
pH. La difusión continúa hasta que la presión parcial de la
debido a la limitada solubilidad del material de la membrana en
también conocido como ionóforo, es una estructurade
muestra y de la capa límite son la misma. El cambio del pH es
la muestra.
anillo que atrapa los iones de potasio por dentro como un
proporcional al gas disuelto en la muestra.
Están formados por electrodos
candado. Este tipo de membrana
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Figura 3. Tipos de electrodos para medidas potenciometricas.
ELECTRODO DE REFERENCIA En muchas aplicaciones es deseable que el potencial de media celda de uno de los electrodos sea conocido, constante y completamente insensible a la composici贸n de la soluci贸n en estudio. Un electrodo con estas caracter铆sticas, se denomina electrodo de referencia.
Figura 4. Electrodo de referencia.
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LUIS ANTONIO DOMINGUEZ LANDA Un electrodo de referencia debe ser fácil de montar, proporcionar potenciales reproducibles y tener un potencial sin cambios con el paso de pequeñas corrientes. Dos electrodos comúnmente utilizados que satisfacen estos requisitos son el Electrodo de Calomel y el Electrodo de Plata-Cloruro de Plata.
ELECTRODO DE CALOMEL El potencial de esta celda varía con la concentración del cloruro x, y esta cantidad debe especificarse al escribir el electrodo. En la tabla siguiente se pueden ver los diferentes nombres de los electrodos de calomel según la concentración de cloruro de potasio, y las expresiones que permiten calcular los potenciales de electrodos para las medias celdas de calomel respecto al electrodo estándar de hidrógeno, a temperaturas t menores de 25°C.
Se pueden obtener en el comercio varios tipos de electrodos de calomel que resultan adecuados; en la Figura 5 se muestra un modelo típico. El cuerpo del electrodo consiste en un tubo de vidrio de 5 a 15 cm de largo y 0,5 a 1 cm de diámetro. Un tubo interior contiene una pasta de mercurio-cloruro de mercurio conectado a la solución saturada de cloruro de potasio del tubo externo, a través de un pequeño orificio.
Figura 5. Electrodo de referencia de calomel típico.
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ELECTRODO DE PLATA-CLORURO DE PLATA Un sistema de electrodos análogo al electrodo de calomel consta de un electrodo de plata sumergido en una solución de cloruro de potasio saturada también de cloruro de plata. Normalmente, este electrodo se prepara con una solución saturada de cloruro de potasio, siendo su potencial a 25°C de +0,197 V respecto al electrodo estándar de hidrógeno. Construcción convencional de Electrodo de Referencia de Plata
Las etapas para preparar el electrodo son las siguientes (El electrodo ensamblado se muestra en la figura 6). Preparación de Ag/AgCl(s) 1. Se sumerge un alambre de Ag por algunos segundos en ácido nítrico diluido, se lava con H2O destilada y se deja secar al aire. 2. El alambre de Ag se conecta al terminal positivo de una fuente de poder (por ejemplo una pila de 9V). El Terminal negativo se conecta a un electrodo auxiliar de Pt. Se sumergen ambos electrodos en una solución de HCl 0.1M a una profundidad de 2 o 3 cm. Se deja reaccionar hasta que se obtiene un depósito oscuro de AgCl. Posteriormente el alambre de Ag/AgCl(s) se lava con abundante H2O destilada y se almacena en una solución saturada de KCl para conservarlo hasta que el electrodo esté completamente ensamblado.
Figura 6. Diagrama de un electrodo de Referencia.
Preparación de la jeringa como el cuerpo del electrodo
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Se utiliza una jeringa desechable de 5 mL sin ningún tratamiento especial. Se abre un pequeño agujero en la base del émbolo en donde se sostiene el alambre de Ag con la ayuda de un pegamento tipo epoxi. La parte superior del alambre de Ag (la que no contiene el depósito de AgCl) se suelda a un alambre de Cu para no emplear un alambre de Ag demasiado largo para la construcción del electrodo. Una vez que el émbolo está listo, el extremo del alambre que contiene el depósito de Ag/AgCl(s) se dobla en forma de resorte antes de introducirlo en la jeringa como se ilustra en la figura 6. Una vez ensamblado el electrodo se aspira solución saturada de KCl con la jeringa modificada teniendo la precaución que no quede aire en su interior. Si el montaje fue adecuado, no es necesario emplear tapones porosos ya que la solución interna permanecerá sin gotear y por lo tanto el electrodo será independiente de la orientación en que se utilice.
ELECTRODOS INDICADORES
Junto con el electrodo de referencia se utiliza un electrodo indicador cuya respuesta depende de la concentración del analito. Los electrodos indicadores para las medidas potenciométricas son de dos tipos fundamentales, denominados metálicos y de membrana. Estos últimos se denominan también electrodos específicos o selectivos para iones.
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Figura 7.Electrodo de referencia.
ELECTRODOS INDICADORES METÁLICOS Electrodos de primera especie para cationes, se utilizan para la cuantificación del catión proveniente del metal con que está construido el electrodo. Varios metales por ejemplo plata, cobre, mercurio, plomo y cadmio presentan medias reacciones reversibles con sus iones y son adecuados para la construcción de electrodos de primera especie. Por el contrario, otros metales no son muy satisfactorios como electrodos indicadores porque tienden a desarrollar potenciales no reproducibles influidos por tensiones o deformaciones en su estructura cristalina o bien por el recubrimiento de óxido sobre su superficie. Los metales de esta categoría comprenden hierro, níquel, cobalto, tungsteno y cromo. Electrodo de segunda especie para aniones, un electrodo metálico responde también en forma indirecta a los aniones que forman precipitados escasamente solubles o complejos con su catión. En el primer caso, basta sólo con saturar la solución en estudio con la sal muy poco soluble. Un electrodo de plata que funciona como electrodo indicador para el yoduro, constituye un ejemplo de electrodo de segunda especie debido a que mide la concentración de un ion que no participa directamente en el proceso de transferencia de electrones.
SISTEMA DE ACONDICIONAMIENTO Los circuitos de acondicionamiento de los sensores potenciometricos son dispositivos de estado sólido que emplean un transistor de efecto de campo o un seguidor de potencial como primera etapa de amplificación con el fin de proporcionar la elevada resistencia interna necesaria. La Figura 9 se observa el uso de un FET 2N3819, utilizado por su alta impedancia de entrada que aísla el circuito de medida de la variable a medir, de manera de evitar errores en la medida, es decir el circuito de lectura debe poseer una resitencia interna en el orden de 1012ohmios. Es importante apreciar que un error en el potencial tendría un efecto enorme en la exactitud de una medida de concentración basada en este potencial. Así que por ejemplo una incertidumbre de 0,001 V en el potencial conduce a un error relativo de alrededor del 4% en la determinación de la concentración de ion hidrógeno de una disolución si se mide el potencial con un electrodo de vidrio. Y para valores tan pequeños de medidas podría ser significativo.
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Figura 9. Circuito acondicionador basado en un transitor de efecto de campo.
Aplicación Industrial
Análisis de iones de procesos industriales batch o continuos. Determinación de monitoreo continuo de la calidad de aire y gases contaminantes. Determinación de electrolitos en fluidos fisiológicos para análisis clínicos. Desarrollo de biosensores basados en enzimas inmovilizadas y electrodos. Determinación de iones constituyentes en muestras de agricultura, medio ambiente y farmacia. Determinación de pH. Determinación del punto final en titulaciones de ácidos, bases y redox.
ELEMENTO CAPACITIVO
Los sensores capacitivos son un tipo de sensor eléctrico. Los sensores capacitivos (KAS) reaccionan ante metales y no metales que al aproximarse a la superficie activa sobrepasan una determinada capacidad. La
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distancia de conexión respecto a un determinado material es tanto mayor cuanto más elevada sea su constante dieléctrica.
FUNCIONAMIENTO
Desde el punto de vista puramente teórico, se dice que el sensor está formado por un oscilador cuya capacidad la forman un electrodo interno (parte del propio sensor) y otro externo (constituido por una pieza conectada a masa). El electrodo externo puede estar realizado de dos modos diferentes; en algunas aplicaciones dicho electrodo es el propio objeto a sensar, previamente conectado a masa; entonces la capacidad en cuestión variará en función de la distancia que hay entre el sensor y el objeto. En cambio, en otras aplicaciones se coloca una masa fija y, entonces, el cuerpo a detectar utilizado como dieléctrico se introduce entre la masa y la placa activa, modificando así las características del condensador equivalente.
APLICACIONES Estos sensores se emplean para la identificación de objetos, para funciones contadoras y para toda clase de control de nivel de carga de materiales sólidos o líquidos. También son utilizados para muchos dispositivos con pantalla táctil, como teléfonos móviles o computadoras ya que el sensor percibe la pequeña diferencia de potencial entre membranas de los dedos eléctricamente polarizados de una persona adulta.
DETECCIÓN DE NIVEL En esta aplicación, cuando un objeto (líquidos, granulados, metales, aislantes, etc.) penetra en el campo eléctrico que hay entre las placas sensor, varía el dieléctrico, variando consecuentemente el valor de capacitancia.
SENSOR DE HUMEDAD El principio de funcionamiento de esta aplicación es similar a la anterior. En esta ocasión el dieléctrico, por ejemplo el aire, cambia su permitividad con respecto a lahumedad del ambiente.
DETECCIÓN DE POSICIÓN Esta aplicación es básicamente un condensador variable, en el cual una de las placas es móvil, pudiendo de esta manera tener mayor o menor superficie efectiva entre las dos placas,
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variando también el valor de la capacitancia, y también puede ser usado en industrias químicas. pero como sabemos este tipo de aplicación no suele ser lo correcto
VENTAJAS E INCONVENIENTES
Las ventajas de este dispositivo son algunas más que en el caso de los sensores inductivos. La primera ventaja es común para ambos, detectan sin necesidad de contacto físico, pero con la posibilidad de detectar materiales distintos del metal. Además, debido a su funcionamiento tiene muy buena adaptación a los entornos industriales, adecuado para la detección de materiales polvorientos o granulados. La duración de este sensor es independiente del número de maniobras que realice y soporta bien las cadencias de funcionamiento elevadas. Entre los inconvenientes se encuentra el alcance, dependiendo del diámetro del sensor, puede alcanzar hasta los 60mm, igual que la modalidad inductiva. Otro inconveniente es que depende de la masa a detectar, si se quiere realizar una detección de cualquier tipo de objeto este sensor no sirve, puesto que depende de la constante eléctrica. Esta desventaja viene encadenada con la puesta en servicio, antes de colocar el sensor se debe de instalar; los detectores cuentan con un potenciómetro que permite ajustar la sensibilidad. Según la aplicación será necesario ajustar la sensibilidad para que se adapte al material, por ejemplo para materiales de constante dieléctrica débil como el papel, cartón o vidrio se tiene que aumentar la sensibilidad, y en caso de tener una constante dieléctrica fuerte hay que reducir la sensibilidad, por ejemplo con objetos metálicos o líquidos.
Transformador diferencial
El transformador diferencial de variación lineal (LVDT según sus siglas en inglés) es un tipo de transformador eléctrico utilizado para medir desplazamientos lineales. El transformador posee tres bobinas dispuestas extremo con extremo alrededor de un tubo. La bobina central es el devanado primario y las externas son los secundarios. Un centro ferromagnético de forma cilíndrica, sujeto al objeto cuya posición desea ser medida, se desliza con respecto al eje del tubo.
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Cuando una corriente alterna circula a través del primario, causa un voltaje que es inducido a cada secundario proporcionalmente a la inductancia mutua con el primario. La frecuencia del oscilador que causa la corriente alterna está en el rango de 1 a 10 kHz. A medida que el núcleo se mueve, la inductancia mutua cambia, causando que el voltaje inducido en el secundario cambie. Las bobinas están conectadas en serie pero invertidas, así que el voltaje de salida es la diferencia (por eso es "diferencial") entre los dos voltajes secundarios. Cuando el núcleo está en su posición central, se encuentra equidistante a los dos secundarios, los voltajes inducidos son iguales pero de signo opuesto, así que el voltaje de salida es cero. Cuando el núcleo es desplazado en una dirección, el voltaje en una bobina aumenta mientras que en la otra disminuye, causando que el voltaje de salida también aumente desde cero hasta su máximo. Este voltaje tiene la misma fase que el voltaje del primario. La magnitud del voltaje de salida es proporcional a la distancia en que fue desplazado el núcleo (hasta cierto límite), por eso el dispositivo es descrito como "lineal". La fase del voltaje indica la dirección del desplazamiento. Debido a que el núcleo deslizante no toca el interior del tubo, puede moverse prácticamente sin fricción, haciendo del LVDT un dispositivo muy fiable. La ausencia de contactos deslizantes o rotatorios permite que el LVDT sea completamente sellado.y almacenado para su venta este objeto es utilizado para la creacion de mini drones ultrasonicos. Los LVDT son usados para la realimentación de posición en servomecanismos y para la medición automática en herramientas y muchos otros usos industriales y científicos. Y el teorema de CM dice que los LVDT's proveen una salida de 0-10 VCD o 4-20 mA
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SENSORES DE PROXIMIDAD YCORRIENTES DE FOUCAULT Sensores basados en corrientes de Foucault Son las corrientes que aparecen en los materiales conductores que están próximos acampos magnéticos variables, como son los núcleos de los transformadores, carcasas deprotección, hierros del estator o rotor de los motores, etc.Si se introduce un material conductor dentro del campo magnético de una bobina por laque circula una corriente alterna, se modifica su impedancia debido a que se inducencorrientes de Foucault en el material que crean un campo magnético opuesto al de labobina. Cuanto más cerca están la bobina y la superficie, mayor es el cambio deimpedancia.En ingles las corrientes de Foucault se denominan corrientes de Eddy y los sensores queaprovechan este fenómeno se llaman Eddy current sensors.Para poder utilizar este método de medida el espesor del INFORMATICA Página 19
LUIS ANTONIO DOMINGUEZ LANDA material en el que se inducen lascorrientes debe ser grande comparado con la profundidad de penetración de aquellas,que viene dada por la expresiónMedida de un espesor de una material ferromagnético a partir de una variación dereluctancia.La relación entre la impedancia de la bobina y la distancia a la que está situado elconductor no es lineal, pero pueden utilizarse a temperaturas superiores a la de Curie. Seutilizan para la medida de espesores y para la detección de objetos metálicos.
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