Sensores Comerciales

FACULTAD DE INGENIERÍA

LICENCIATURA EN INGENIERÍA INDUSTRIAL EMPRESARIAL

ASIGNATURA

ESTUDIO DEL TRABAJO Y AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL

Sensores comerciales

Sensores para medir la temperatura

Cada proceso en la industria debe ser controlado de alguna manera, y esta necesidad muchas veces también incluye la medición de la temperatura. Se dispone de una gran variedad de sensores de temperatura para realizar las mediciones de la temperatura. El ingeniero debe decidir cuál de los sensores debe seleccionar para cada situación en particular.

A fin de seleccionar el mejor, para cada aplicación, se deben tener en cuenta varios factores:

✓ Temperatura Máxima

✓ Rango de Temperatura a medir

✓ Exactitud

✓ Velocidad de respuesta

✓ Costo

✓ Requerimiento de mantenimiento.

➢ termopar o termocople: es un transductor formado por la unión de dos metales distintos que produce una diferencia de potencial muy pequeña que es función de la diferencia de temperatura entre uno de los extremos denominado «punto caliente» o «unión caliente» o de «medida» y el otro llamado «punto frío» o «unión fría» o de «referencia». 

Normalmente los termopares industriales están compuestos por un tubo de acero inoxidable u otro material. En un extremo del tubo está la unión, y en el otro el terminal eléctrico de los cables, protegido dentro de una caja redonda de aluminio (cabezal).

En instrumentación industrial, los termopares son usados como sensores de temperatura. Son económicos, intercambiables, tienen conectores estándar y son capaces de medir un amplio rango de temperaturas. Su principal limitación está en la exactitud, pues es fácil obtener errores del sistema cuando se trabaja con precisiones inferiores a un grado Celsius.

➢ RTD: resistance temperature detector, por sus siglas en inglés, es un sensor de temperatura basado en la variación de la resistencia de un conductor con la temperatura. 

Los metales empleados normalmente como RTD son platino, cobre, niquely molibdeno.

De entre los anteriores, los sensores de platino son los más comunes por tener mejor linealidad, más rapidez y mayor margen de temperatura.

➢ termistores: son sensores de temperatura resistivos donde el elemento sensor cambia su resistencia de acuerdo con las variaciones de temperatura. Existen dos tipos de termistor, aquellos cuya resistencia aumenta en función de la temperatura, también llamados PTC ( PositiveTemperature Coefficient ) y aquellos cuya resistencia disminuye conforme aumenta la temperatura, llamados NTC ( Negative TemperatureCoefficient).

El material base con que están fabricados los termistores es un semiconductor que deja pasar parcialmente la corriente.

La ventaja de los termistores frente a otros sensores de temperatura es el bajo precio de estos, su amplio rango de medida y lo extendidos que se encuentran, lo que permite encontrar dispositivos a los que se pueden conectar sin mayores problemas.

Sensores para medir la presión

La medición y el control de presión son las variables de proceso más usadas en los más distintos sectores de  la industria de control de procesos. Además, a través de la presión se puede inferir fácilmente una serie de otras variables, tales como, nivel, volumen, flujo y densidad.

Por lo general los sensores se clasifican según la técnica utilizada en la conversión mecánica de la presión en una señal electrónica proporcional. 

➢ Piezo-resistivo o Strain Gage: La piezo-resistividad se refiere al cambio de la resistencia eléctrica con la deformidad/contracción como resultado de la presión aplicada. En su gran mayoría son formados por elementos cristalinos (strain gage) interconectados en puente (wheatstone) con otros resistores que suministran el ajuste de cero, la sensibilidad y la compensación de temperatura. El material de construcción varía según el fabricante y actualmente son comunes los sensores de estado sólido.

Desventajas: banda limitante de temperatura operativa, aplicable en bandas de presión baja por generaren una señal muy baja de excitación, muy instable.

➢ Piezo-eléctrico: El material piezo-eléctrico es un cristal que produce una tensión diferencial proporcional a la presión aplicada en sus caras: quartzo, sal deRochelle, titanio de bario, turmalina etc. Este material acumula cargas eléctricas en ciertas áreas de su estructura cristalina, cuando sufren una deformidad física, por acción de una presión. La piezo-electricidad fue descubierta por Pierre y Jacques Curie en 1880.

La relación entre la carga eléctrica y la presión aplicada al cristal es prácticamente lineal:

q = Sq x Ap  

p - presión aplicada, A - área del electrodo, Sq – sensibilidad 

q - carga eléctrica, C – capacidad  del  cristal, Vo - tensión de salida 

➢ Resonantes: Poseen en general el principio de la tecnología conocida como “vibrating wire”. Un resorte de hilo magnético es anejada al diafragma que, al ser sometido a un campo magnético y ser recorrido empieza a oscilar. La frecuencia de oscilación es proporcional al cuadrado de la tensión (expansión/compresión) del hilo. En el sensor de Silicio Resonante no se usa hilo pero el silicio para resonar con diferentes frecuencias que son funciones del tipo 1/f2 de la expansión/compresión. El sensor es formado por una cápsula de silicio ubicada en un diafragma que vibra al seaplicar un diferencial de presión y la frecuencia de vibración depende de la presión aplicada. Algunos sensores resonantes necesitan técnicas de compensación de temperatura vía hardware/software complicadas, aumentando el número de componentes, lo que significa más placas electrónicas en algunos equipos.

➢ Capacitivos: Estos son los sensores más confiables y son usados en millones de aplicaciones. Se basan en transductores donde la presión aplicada a diafragmas sensores produce una variación de la capacitancia entre ellos y un diafragma central, por ejemplo. Esta variación es usada principalmente para variar la frecuencia de un oscilador o usada como elemento de un puente de capacitares. Esta variación de capacitancia es usada para variar la frecuencia de un oscilador. La frecuencia puede medirse directamente por la CPU y convertida en presión. En este caso no existe conversión A/D, lo que contribuye a la exactitud y a la eliminación de drifts embutidos en las conversiones analógicas y digitales.  

Poseen respuestas lineales prácticamente insensibles a variaciones de temperatura, siendo los más indicados a instrumentación y control de procesos por su excelente performance en estabilidad, temperatura y presión estática. Algunas de sus ventajas son:

• Ideales para aplicaciones de baja y alta presión.

• Minimizan el Error Total  Probable y consecuentemente la variabilidad  del proceso.

• Ideales para aplicaciones de flujo.

• Por su  respuesta lineal, permite alta flexibilidad y exactitud.

Equipos Industriales para Medición de Presión

➢ El manómetro: es un instrumento de medición para la presión de fluidos contenidos en recipientes cerrados. Se distinguen dos tipos de manómetros, según se empleen para medir la presión de líquidos o de gases.

Muchos de los aparatos empleados para la medida de presiones utilizan la presión atmosférica como nivel de referencia y miden la diferencia entre la presión real o absoluta y la presión atmosférica, llamándose a este valor presión manométrica; dichos aparatos reciben el nombre de manómetros y funcionan según los mismos principios en que se fundamentan los barómetros de mercurio y los aneroides. La presión manométrica se expresa ya sea por encima, o bien por debajo de la presión atmosférica. Los manómetros que sirven exclusivamente para medir presiones inferiores a la atmosférica se llaman vacuómetros. También manómetros de vacío.

➢ 

transmisor de presión: tienen la gran ventaja de posibilitar mejor interacción con el usuario, con interfaces de fácil utilización. Además, sus características de autodiagnosisfacilitan la identificación de problemas. Con el advenimiento de las redes fieldbus, es posible extraer los beneficios de la tecnología digital al máximo. Estos transmisores tienen mejor exactitud, estabilidad electrónica superior a los modelos analógicos, además de facilitar ajustes y calibraciones. La tecnología digital también permite que se implementen poderosos algoritmos a favor de performance y exactitud de medición y de monitoreo en línea de toda la vida del equipo.

Sensores para medir humedad

Los fabricantes y laboratorios de calibración buscan determinar la calidad del desempeño de los dispositivos para la medición de humedad, esto es, que tanto las especificaciones y como los datos de calibración reflejen la operación real de los sensores.

Podemos definir la precisión de un sensor como la desviación con respecto a un patrón de laboratorio. Esta característica es afectada por los siguientes factores:

• Temperatura y humedad a la que fue calibrado el sensor

• Dependencia de la calibración con la humedad y la temperatura, muchos sensores son no-lineales y casi todos varían con la temperatura

• Como afecta al sensor el envejecimiento y la velocidad de envejecimiento

• Que tan sensitivo es el sensor a los contaminantes

• Que precisión tiene el estándar usado para construir el sensor y su certificación

Los sensores para medir la humedad son:

➢ Psicometría por bulbo húmedo/bulbo seco: es uno de los métodos más populares para el monitoreo de la humedad debido a su simplicidad e inherente bajo costo. Un psicómetro industrial típico consiste de un par de termómetros eléctricos acoplados, uno de los cuales opera en estado húmedo. Cuando el dispositivo funciona la evaporación del agua enfría el termómetro humedecido, resultando una diferencia medible con la temperatura ambiente o la temperatura del bulbo seco. Cuando el bulbo húmedo alcanza su máxima caída de temperatura la humedad puede determinarse comparando la temperatura de los dos termómetros en una tabla psicométrica.

El psicómetro provee una alta precisión en las proximidades del punto de saturación (100% RH) y es fácil de operar y reparar, por otra parte a baja humedad relativa (menos del 20%) el desempeño es pobre y el mantenimiento debe intensificarse. No puede utilizarse a temperaturas menores de 0° y, siendo el propio psicómetro una fuente de humedad, no pude utilizarse tampoco en ambientes pequeños o cerrados.

➢ Sensores por desplazamiento: Es quizás el tipo de sensor más antiguo y de uso común, utiliza un mecanismo para medir la expansión o contracción de un cierto material que es proporcional a los cambios en el nivel de humedad relativa. Los materiales más comunes el nylon y la celulosa. Las ventajas de este tipo de sensores son el bajo costo de fabricación y es altamente inmune a la contaminación. 

Las desventajas son la tendencia a la descalibración en el tiempo y los efectos de histéresis significativos.

➢ Sensor de bloque de polímero resistivo: Están compuestos de un sustrato cerámico aislante sobre el cual se deposita una grilla de electrodos. Estos electrodos se cubren con una sal sensible a la humedad embebida en una resina (polímero). La resina se recubre entonces con una capa protectivapermeable al vapor de agua. A medida que la humedad permea la capa de protección, el polímero resulta ionizado y estos iones se movilizan dentro de la resina. Cuando los electrodos son excitados por una corriente alterna, la impedancia del sensor se mide y es usada para calcular el porcentaje de humedad relativa.

➢ Sensores capacitivos: son diseñados normalmente con platos paralelos con electrodos porosos o con filamentos entrelazados en el sustrato. El material dieléctrico absorbe o elimina vapor de agua del ambiente con los cambios del nivel de humedad. Los cambios resultantes en la constante dieléctrica causa una variación en el valor de la capacidad del dispositivo por lo que resulta una impedancia que varía con la humedad. Un cambio en la constante dieléctrica de aproximadamente el 30% corresponde a una variación de 0-100% en la humedad relativa.

El material sensor es muy delgado para alcanzar grandes cambios en la señal con la humedad. Esto permite al vapor de agua entrar y salir fácilmente y el secado rápido para la sencilla calibración del sensor.

Este tipo de sensor es especialmente apropiado para ambiente de alta temperatura porque el coeficiente de temperatura es bajo y el polímero dieléctrico puede soportar altas temperaturas. Los sensores capacitivos son también apropiados para aplicaciones que requieran un alto grado de sensibilidad a niveles bajos de humedad, donde proveen una respuesta relativamente rápida. A valores de humedad superiores al 85% sin embargo el sensor tiene una tendencia a saturar y se transforma en no lineal.

Sensores para medir el nivel

Sensores para medir el ph

Se da en el mercado una gran variedad de tipos de medidores de pH, que van desde dispositivos de mano muy baratos hasta complejos modelos de laboratorio.

Los medidores de pH más comunes incorporan un sensor de vidrio y un tubo de referencia. La sonda de pH mide la actividad de los iones de hidrógeno mediante la generación de una pequeña cantidad de tensión en el sensor y el tubo de referencia. El medidor de voltaje convierte a un valor  de pH y la muestra en la pantalla digital, permitiendo así la cómoda medición de cualquier líquido o suelo.

➢ pH-metro: es un sensor utilizado en el método electroquímico para medir el pH de una disolución.

La determinación de pH consiste en medir el potencial que se desarrolla a través de una fina membrana de vidrio que separa dos soluciones con diferente concentración de protones. En consecuencia se conoce muy bien la sensibilidad y la selectividad de las membranas de vidrio durante el pH.

Una celda para la medida de pH consiste en un par de electrodos, uno de calomel (mercurio, cloruro de mercurio) y otro de vidrio, sumergidos en la disolución de la que queremos medir el pH.

La varita de soporte del electrodo es de vidrio común y no es conductor, mientras que el bulbo sensible, que es el extremo sensible del electrodo, está formado por un vidrio polarizable (vidrio sensible de pH).

Se llena el bulbo con la solución de ácido clorhídrico 0.1M saturado con cloruro de plata. El voltaje en el interior del bulbo es constante, porque semantiene su pH constante (pH 7) de manera que la diferencia de potencial solo depende del pH del medio externo.nEl alambre que se sumerge al interior (normalmente Ag/AgCl) permite conducir este potencial hasta un amplificador.

➢ El sensor de pH de vidrio: Su uso está ampliamente generalizado y sus resultados ampliamente validados, al punto que el patrón de la medida de pH se basa en un electrodo de vidrio. El electrodo entra en contacto con el analito a través de una membrana de vidrio sensible al ión hidrógeno. Las características de esta membrana hacen que el sensor tenga una resistencia de salida muy grande (decenas o centenas de M W) y sea necesario mantenerlo húmedo. Logran una precisión muy buena (0,01) y tienen tiempos de vidas relativamente cortos (1 año). Los costos varían entre 30 y 300 dólares. 

➢ Los electrodos de membrana líquida: Son sensores cuyos electrodos son de membrana líquida donde la superficie sensible de estos electrodos está hecha de una composición homogénea de polímero que contiene un intercambiador iónico de naturaleza orgánica para el ión determinado. Estos sensores incorporan un módulo de membrana fácilmente reemplazable, y están disponibles para mediciones de nitratos, potasio y calcio. La membrana es generalmente utilizada en forma de un disco delgado de PVC impregnada con antibiótico de valinomicina. El intercambiador, también conocido como ionóforo, es una estructura de anillo que atrapa los iones de potasio por dentro como un candado. Este tipo de membrana no es tan resistente como la de los sensores de estado sólido por lo que son diseñados con un módulo de membrana fácilmente reemplazable.

➢ Los electrodos de estado sólido: Consisten en metales cuya superficie está recubierta parcialmente por una capa de óxido del mismo metal. Entre ellos, el más utilizado es el electrodo de antimonio. Es resistente, adecuado para el registro continuo y operaciones de control. Su intervalo de utilización es de pH 2 a 8. Otros electrodos metal-óxido metálico bastante utilizados son los de teluro, tungsteno, y molibdeno.