sensoressensores 5 errores de medida • las cualidades esenciales de un sensor se expresan por su...
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Sensores
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Errores de medida• Errores de medida o sistemáticos
– Error sobre una señal de referencia.– Errores ligados a la calibración.– Errores debidos a las magnitudes de influencia.– Errores debidos a las condiciones de alimentación.– Errores debidos a las condiciones de uso.– Errores en el tratamiento de la señal de salida.
El desvío no puede ser calculado pero puede ser corregido o compensado
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Errores de medida• Errores accidentales e incertidumbre en la medida.
– Errores ligados a las indeterminaciones intrínsecas de las características del sensor.
– Errores debidos a señales parásitas de carácter aleatorio.– Errores debidos a magnitudes de influencia no controladas.
El desvío proviene de la variación de un parámetro no controlado, y sólo puede ser estimado.
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Errores de medida• Los errores accidentales conllevan una dispersión de los
resultados cuando las medidas se realizan en diferentes momentos.
• Con un tratamiento estadístico se puede conocer el valor más probable y los límites de la incertidumbre.
Valor medio
n
mm
n
ii∑
== 1
Dispersión
( )n
mmn
ii∑
=
−= 1
2
2σ
Probabilidad de cada resultado (ley normal)
( )( )
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡ −−
=2
2
2
21 σ
πσ
mm
emP
Probabilidad de resultados entre m1 y m2
( ) ∫=2
1
m
m21 )( dmmpmmP
%73.99)3(%45.95)2(
%27.68)(
=±=±
=±
σσσ
mPmPmP
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Errores de medida• Las cualidades esenciales de un sensor se expresan por
su fidelidad y exactitud, es decir su precisión.– Fidelidad: incertidumbres de medida pequeñas.– Exactitud: errores sistemáticos reducidos. Valor de la media muy
próximo al verdadero.– Precisión: indica la aptitud de un sensor a proporcionar un valor
de medida próximo al real. Un sensor preciso es fiel y exacto.
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Errores de medida
a) Sensor ni fiel ni exacto
b) Sensor fiel pero no exacto
c) Sensor exacto pero no fiel
d) Sensor fiel y exacto
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Errores de medida• La imprecisión de un sensor
es debida a la suma de varios errores elementales:– Error de cero.– Error sobre sensibilidad.– Error de resolución.– Error de reversibilidad.– Histéresis.– Error de calibración.– Error de repetibilidad.– Intercambiabilidad.
• La utilización continuada del sensor puede deteriorar o modificar las características:– Resistencia a la fatiga.– Duración de vida.
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Errores de medida
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Errores de medida
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Clasificación de sensores
• Según la naturaleza de la señal eléctrica de salida:– Sensores analógicos.– Sensores numéricos o
digitales.– Sensores lógicos.
• Según el origen de la señal de salida:– Activos.– Pasivos.
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Sensores activos• Funcionan como generador.• Principios básicos en los que se basan:
– Efecto termoeléctrico.– Efecto piroeléctrico.– Efecto piezoeléctrico.– Efecto de inducción electromagnética.– Efecto fotoeléctrico.– Efecto fotoemisivo.– Efecto fotovoltaico.– Efecto Hall.– Efecto Peltier.
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Sensores pasivos• Funcionan como modulador, la impedancia del sensor
es sensible a variaciones de la magnitud de medida.• La característica eléctrica sensible puede ser:
– Resistividad.– Constante dieléctrica.– Permeabilidad magnética.
• Necesitan acondicionamiento de señal.– Montaje potenciométrico o en puente.– Osciladores.
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Sensores pasivos
• Montaje potenciométrico.– Es el más simple.– Sensible a variaciones de alimentación y
perturbaciones.
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Sensores pasivos• Montaje en puente.
– Doble potenciómetro con medida de tensión diferencial.– Se reduce la sensibilidad a derivas de tensión y ruidos.– Para sensores resistivos se utiliza el puente de Wheastone.
Equilibrio:2341 si 0 ZZZZVm ⋅=⋅=
( ) ( )4231
2341
ZZZZZZZZVm +⋅+⋅−⋅
=
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Sensores pasivos• Si el sensor está alejado de las otras resistencias hay
que tener en cuenta la resistencia de los cables de conexión, pudiendo desequilibrar el puente.
Montaje a tres hilos Montaje a dos hilos de compensación
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Sensores pasivos
Puente de Nermst Puente de Sauty
Puente de Maxwell Puente de Hay
Sensores capacitivos
Sensores inductivos
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Sensores pasivos
• Osciladores.– Suministran una señal cuya frecuencia
modula la magnitud medida. Existen dos tipos fundamentalmente:
• Senoidales.• Relajación (señales cuadradas).
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Criterios de selección
• Es conveniente conocer:– Sensores disponibles en el mercado.– Características generales.– Ventajas e inconvenientes específicos.
• En la selección existen tres etapas:– Definición de especificaciones.– Selección de la tecnología.– Selección del producto.
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Criterios de selección• Definición de especificaciones.
– Naturaleza y tipo de la magnitud a medir.– Tipo de sensor buscado teniendo en cuenta la naturaleza de la
señal de salida.– Características metrológicas esenciales
• Alcance de medida.
• Precisión.
• Rapidez de respuesta.
• Condiciones de uso
Gama de temperaturas.
Sobrecargas admisibles.
Duración de vida.
Protecciones (polvo, humedad...)
• Especificaciones geométricas.
• Especificaciones económicas.
• Otras especificaciones:
Alimentación.
Consumo.
Masa...
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Criterios de selección
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Principios de medida• Medida por intervalo de tiempo.• Medida por deformación, variación de longitud o forma.• Medida por un par o una fuerza.• Medida por presión.• Medida acústica.
– Variación de frecuencia de un sistema vibrante.– Variación de velocidad de propagación de una onda acústica.– Medida del tiempo que tarda una señal en recorrer una
distancia.– Frecuencias audibles y utrasónicas.
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Principios de medida
• Medida por óptica geométrica.– Propagación rectilínea.– Rotación de haz reflejado.
• Medida por óptica ondulatoria (fenómenos de interferencia y polarización).
• Medida por ondas electromagnéticas.– Resonancia nuclear.– Corrientes de Foucault.– Difracción y absorción de rayos X...
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Principios de medida• Medida por efecto magnético.
– Efecto Wiegand.– Efecto Hall.
• Medida por efecto térmico.• Medida por efecto termodinámico.• Medida por efecto piezoeléctrico y piezorresistivo.• Medida por inducción de la fuerza contraelectromotriz.• Medida por termoelectricidad (efecto Seebeck).
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Principios de medida
• Medida por electroquímica.• Medida por fotoelectricidad.• Medida por contacto eléctrico.• Medida por potenciómetro.• Medida por extensiometría.• Medida por capacidad.
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Sensores de posición, desplazamiento y proximidad
• Muy utilizados (máquina herramienta, prensas...).• Se pueden usar para medir indirectamente otras
magnitudes físicas.• Métodos para medida de desplazamientos y
posiciones:– Señal función de la posición de una de las partes del sensor
fija al objetivo móvil.• Potenciómetros.• Inductancias de núcleo móvil.• Condensadores de armadura móvil.• Transformador de acoplo variable.
– Codificadores incrementales.
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Sensores de desplazamiento
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Detectores de posición
Característica fundamental:
Tensión y corriente máxima que pueden cortar.
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Detectores de proximidad
• No tienen unión física con el objeto a detectar.• Distancias desde 1mm a varios metros.• Aplicaciones principales:
– Control de presencia, ausencia y fin de carrera.– Detección de paso.– Posicionamiento y conteo de piezas.– Barreras de protección, sistemas antirrobo.
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Detectores de proximidad• Se utilizan sobre todo:
– Cuando la velocidad del objeto a detectar es rápida.– En entornos hostiles: polvo, aceite, humedades...– Cuando las piezas a detectar son pequeñas o frágiles.
• Según la tecnología pueden ser:– Inductivos.– Capacitivos.– Fotoeléctricos.– Ultrasónicos.– Magnéticos.– Efecto Hall.– Magnetorresistivos.
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Detectores de proximidad
• Inductivos.
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Detectores de proximidad
• Inductivos.
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Detectores de proximidad
• Capacitivos.
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Detectores de proximidad
• Fotoeléctricos.
EMISOR RECEPTOR HAZLámpara de incandescencia Fotorresistivo Visible
Diodo electroluminiscente Fotorresistivo Infrarrojo
Diodo electroluminiscente(impulsos de corriente)
Fotovoltaico Infrarrojomodulado
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Detectores de proximidad
• Fotoeléctricos.
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Detectores de proximidad
• Magnéticos.
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Sensores de proximidad
• Son sensores de desplazamiento sin unión física al objeto en movimiento.
• Ventajas:– Banda pasante ancha.– Finura elevada.– Gran fiabilidad (sin desgaste ni histéresis).– Aislamiento galvánico.
• Inconvenientes:– Alcance de medida pequeño (algunos mm).– Funcionamiento no lineal.– Respuesta dependiente del entorno y del objeto.
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Sensores de proximidad
• Tecnologías empleadas:– Inductivos.– De reluctancia variable.– De corrientes de Foucault.– De efecto Hall.– Magneto-resistivos.
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Sensores analógicos de desplazamiento
• Las variaciones en su señal de salida reflejan el desplazamiento del objeto móvil.
• El objeto está unido físicamente a una parte del sensor.• La información puede ser de desplazamiento lineal o de
rotación.• Utilización:
– Servosistemas.– Medida y control.– Mediciones de otras magnitudes físicas (fuerza, par,
deformación, velocidad, aceleración...)
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Sensores analógicos de desplazamiento
• Tecnologías.
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Sensores de desplazamiento
• De inductancia variable.– El elemento móvil es un núcleo ferromagnético cuyo
desplazamiento modifica el coeficiente de autoinducción de una bobina.
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Sensores de desplazamiento
• De inductancia variable.– Se puede mejorar la linealidad de la respuesta con la
asociación en oposición de dos bobinas cuyos coeficientes varían en sentido contrario para un mismo desplazamiento.
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Sensores de desplazamiento
• Transformador diferencial (LVDT).
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Sensores de desplazamiento
• Transformador diferencial (LVDT).– Ventajas:
• Fiabilidad y robustez.• Manejabilidad y ligereza.• Aislamiento galvánico entre primario y secundarios.• Separación física total entre el equipo móvil y el
transformador, permitiendo su uso en condiciones ambientales agresivas.
• Excelente resolución (del orden de 0.1 μm).• Ausencia de histéresis, excelente repetibilidad.• Costo y consumo pequeños (mW).• Integración de funciones en el sensor.
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Sensores de desplazamiento
• Sincro.( )
( ) ( )( ) ( )( ) ( )Φ−−⋅⋅=
Φ−+⋅⋅=Φ−⋅⋅=
=
tEkEtEkE
tEkE
tEV
tS
tS
tS
r
ωαωωαω
ωαω
ω
cos120coscos120cos
coscos
cos
3
2
1
(rad/seg).rotor deltensión Pulsación rotor. tensión máximoValor
(idem). ecundarioprimario/sRelación ntos.arrollamie los de depende propio. Desfase
S2. ntoarrollamierotor Angulo
====Φ=
ω
α
Ek
t
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Sensores de desplazamiento
• Sincro detector.
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Sensores de desplazamiento
• Resólver.
Resólver transmisor. Sincrodetector de dos resólvers.
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Sensores de desplazamiento
• Capacitivos.
TIPO DECONDENSADOR
MODO DEDESPLAZAMIENTODE LA ARMADURA
SUPERFICIESUPERPUESTA
DESVIO ENTREARMADURAS
DESPLAZAMIENTOMEDIDO
En su plano Variable Constante AngularPlano
Perp. a su plano Constante Variable Rectilíneo
Cilíndrico Paralelo al eje Variable Constante Rectilíneo
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Sensores digitales de desplazamiento
• Señal de salida númerica.• Tecnologías:
– Codificadores ópticos: incrementales y absolutos.– Codificadores sincro-máquinas.– Codificadores a contacto.
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Sensores digitales de desplazamiento
• Codificadores ópticos.– Partes de las que se componen:
• Emisor de luz (infrarroja) o diodos electroluminiscentes (LED).• Elementos de codificación: Regla o disco con zonas transparentes
y opacas.• Receptor de luz: Fotodiodos o fototransistores.
– Resolución finita (salida numérica).– Dificultad en realizar alineamiento entre fuente y receptor.– Sensibles a choques, vibraciones y temperatura.– Precio relativamente elevado.
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Sensores digitales de desplazamiento
• Codificadores ópticos incrementales.
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Sensores digitales de desplazamiento
• Codificadores ópticos incrementales.
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Sensores digitales de desplazamiento
• Codificadores ópticos absolutos.
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Sensores de desplazamiento
• Selección.
MEDIDA DE UN DESPLAZAMIENTO
SEÑAL DE SALIDASin unión física Con unión física
LógicaAnalógicaDigital
Detector de proximidadSensor de proximidad-----
Detector de posiciónSensor de desplazamientoCodificador de desplazamiento
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Sensores de desplazamiento
• Selección de un detector de posición.
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Sensores de desplazamiento
• Selección de un detector de proximidad.
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Sensores de desplazamiento
• Selección de un sensor digital de desplazamiento.
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Sensores de desplazamiento
• Selección de un sensor analógico de desplazamiento.
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Sensores de velocidad
• Clasificación según:– Tipo de desplazamiento del objeto: rectilíneos y
angulares.– Tipo de señal de salida: analógicos y digitales.– Tipo de recorrido para los lineales:
• Ilimitado. Sin unión mecánica con el objeto.• Limitado. Con unión mecánica con el objeto.
– Posición del sensor respecto al objeto:• Exterior. Tacómetros y tacodinamos.• Interior para los girómetros.
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Sensores de velocidad
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Sensores de velocidad
• Velocidad lineal.– Recorridos limitados:
• Tacómetro lineal de hilo.• Tacómetro lineal electromagnético.
– Recorridos ilimitados:• Tacómetros lineales de ultrasonidos.• Tacómetros lineales de ondas luminosas (láser).• Tacómetros lineales de hiperfrecuencias (radar).
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Sensores de velocidad
• Velocidad angular.– El cuerpo de prueba es un disco solidario con el eje cuya
velocidad se quiere medir, en el disco hay referencias dispuestas periódicamente.
– Tecnologías utilizadas:• Detección inductiva por reluctancia variable.• Detección inductiva por corrientes de Foucault.• Detección por efecto Hall.• Detección capacitiva.• Detección magnetorresistiva.• Detección fotoeléctrica.
– Tacodinamos analógicas de corriente continua y alterna.
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Sensores de velocidad
• Selección de un sensor de velocidad lineal.
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Sensores de velocidad
• Selección de un sensor de velocidad angular.
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Sensores de aceleración• Los sensores de aceleración, vibraciones y choques se
usan principalmente para vigilancia de máquinas rotativas.
• Se basan en la medida de una fuerza o un desplazamiento.– Fuerza:
• Piezoeléctricos.• Piezorresistivos.• Servocontrolados.
– Desplazamiento:• Potenciométricos.• Inductivos.
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Sensores de aceleración
• Clasificación de acelerómetros según el fenómeno analizado
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Sensores de aceleración
• Acelerómetros piezoeléctricos
•Sin pieza móvil (sin desgaste).
•No necesita fuente de alimentación.
•Necesidad de un amplificador de carga.
•Aceleraciones constantes o bajas frecuencias no se pueden medir.
•Medidas entre 0ºK y 800ºC.
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Sensores de aceleración
• Acelerómetros piezorresistivos.
•Se pueden medir aceleraciones constantes.
•Sin pieza móvil (sin desgaste).
•Gran sensibilidad.
•Sensibilidad despreciable a deformaciones de base y transitorios de temperatura.
•Acondicionamiento de señal clásico.
•Sensibilidad variable.
•Frecuencia de resonancia de 200 KHz.
•Temperatura limitada a 120ºC.
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Sensores de aceleración
• Otros acelerómetros.– Servocontrolados.– De potenciómetro.– Inductivos.
Sensor de aceleración piezoeléctrico
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Sensores de aceleración
• Comparación de características metrológicas.
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Sensores de aceleración
• Selección de un acelerómetro
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Sensores de temperatura
• Reglas para la selección de un sensor de contacto.
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Sensores de temperatura
• Dispositivos que permiten la evaluación de la temperatura.
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Sensores de temperatura
• Termopares.
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Sensores de temperatura
• Termopares.
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Sensores de temperatura
• Termopares. Medida de la tensión de Seebeck.
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Sensores de temperatura
• Termopares. Utilización de hielo para obtener 0ºC en la referencia.
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Sensores de temperatura
• Termopares. Medida de tensión Seebeck con un termopar J
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Sensores de temperatura
• Termopares. Empleo de un bloque isotérmico.
Sensores 79
Sensores de temperatura
• Termopares. Supresión del vaso con hielo.
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Sensores de temperatura
• Termopares. Ley de los metales intermedios.
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Sensores de temperatura
• Termopares. Compensación hardware.
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Sensores de temperatura
• Termopares.
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Sensores de temperatura
• De resistencia metálica.
Materiales para medir muy bajas temperaturas
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Sensores de temperatura
• Pirómetros ópticos.
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Sensores de temperatura
• Preselección.
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Sensores de temperatura
• Gama de temperaturas de diversos sensores
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Sensores de temperatura
• Selección.
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Sensores y detectores de nivel
• Clasificación.– Tipo de instalación.
• En cuba o depósito (abierto o cerrado bajo presión).• Exterior: Lagos, canales, pozos...
– Naturaleza del producto medido.• Fluido (líquido).• Sólido (granulado, polvo).
– Tipo de señal de salida.• Analógicos (sensores de nivel).• Lógico (detectores de nivel).
– Modo de unión.• Con contacto.• Sin contacto.
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Sensores y detectores de nivel
• Tecnologías empleadas.– Métodos hidrostáticos.
• Dispositivos de flotador.• Dispositivos de inmersión.• Dispositivos de palpador electromecánico.• Dispositivos manométricos.
– Métodos eléctricos.– Métodos caloríficos.– Métodos basados en la radiación.
• Radiación gamma.• Ultrasonidos.• Ópticos.• Hiperfrecuencias.
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Sensores y detectores de nivel
• Preselección.
Sensores 91
Sensores y detectores de nivel
• Selección del método de medida.
Sensores 92
Sensores y detectores de nivel
• Características de algunos sensores.
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Sensores y detectores de nivel
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Sensores y detectores de nivel
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Sensores y detectores de nivel
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Sensores de presión
PRESIÓNCRECIENTE
PRESIÓNATMOSFÉRICA
VACÍOABSOLUTO
PRESIÓNRELATIVAPOSITIVA
PRESIÓN RELATIVANEGATIVA (VACÍO)
PRESIÓNDIFERENCIAL
PRESIÓNABSOLUTA
Diferentes medidas de presión
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Sensores de presión
Presión dinámica en líneas de inyección de motores dieselPresión máxima en cilindros de motores dieselPresión máxima en cilindros de motores de gasolinaSistemas de pintura industrial por "spray"Golpes de agua en sistemas de extinción de incendiosAutomóviles: inyección de fuel, refrigeraciónAutomóviles: transmisión hidráulicaAceite de lubrificación en motores y generadores dieselAceite de lubrificación en turbinas y generadores hidráulicosMonitorizado del nivel del agua en tanques y depósitosPresión atmosférica a nivel del marBombas de mantenimiento de nivel, estaciones de depuraciónCrecimiento de cristales de silicioPresión barométrica a 18.000 metros de altitudReacciones tipo plasma CVD (fabricación de semiconductores)Deposición de silicio dopado (fabricación de semiconductores)Establecimiento de geometría (fabricación de semiconductores)Pasivación óxidos de silicio (fabricación de semiconductores)Mínima presión de vacío que se puede medir actualmente
10.0004.0001.2001.00080010090705030
14,6961041
0,50,01
0,00020,00005
0,0000002
Presión, psi Proceso
(1 psi = 1 Lb/in2 = 0,068946 bares; 1 bar = 14,504 psi)
Presiones en procesos industriales
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Sensores de presión
• Cuerpos de prueba.
Sensores 99
Sensores de presión
• Algunos tipos de sensores
Resistivo. Piezoeléctrico. Inductivo.
Sensores 100
Sensores de fuerza
• Cuerpos de prueba.
Sensores 101
Sensores de par
• Cuerpos de prueba.
Sensores 102
Sensores de presión, fuerza, peso y par
• Métodos de transducción.
Sensores 103
Sensores de presión, fuerza, peso y par
• Selección. Materiales existentes.
Sensores 104
Sensores de presión, fuerza, peso y par
• Elección del modo de transducción (1).
Sensores 105
Sensores de presión, fuerza, peso y par
• Elección del modo de transducción (y 2).
Sensores 106
Sensores de presión
• Comparación de características de sensores resistivos.
Sensores 107
Sensores de presión
• Elección del cuerpo de prueba.
Sensores 108
Sensores de presión
• Gama de presiones de manómetros.
Sensores 109
Sensores y detectores de caudal
• Clasificación (1).– Tipo de instalación.
• Canalización cilíndrica para líquidos y gases.• Canales abiertos para líquidos.• En atmósfera (velocidad del aire).
– Naturaleza del elemento transportado.• Fluido (líquido, gas)• Sólido (granos, polvo...).
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Sensores y detectores de caudal
• Clasificación (2).– Señal de salida eléctrica.
• Analógicos. Sensores de caudal.• Numéricos (tren de impulsos). Contadores de caudal.• Lógicos. Detectores de flujo.
– Magnitud a medir.• Caudal volumétrico.• Caudal másico.• Velocidad de circulación del fluido.• Presión diferencial.
Sensores 111
Sensores de caudal.
• Caudalímetros mecánicos.– Caudalímetros de flotador rotativo.– Contadores volumétricos.
• De paletas.• De pistones.• De ruedas ovales.
– Contadores de velocidad. De turbina (o hélice).– Controladores de circulación.
• De flotador rotativo.• De núcleo sumergido.• De compuerta.
Sensores 112
Sensores de caudal
• Caudalímetros estáticos.– Caudalímetros de órgano deprimógeno.– Caudalímetros de sonda.– Caudalímetros electromagnéticos.– Caudalímetros de ultrasonidos.– Caudalímetros de efecto Vortex.– Caudalímetros térmicos.
Sensores 113
Sensores de caudal
• Contador volumétrico de ruedas ovales.
Sensores 114
Sensores de caudal
• Contador de velocidad de turbina axial.
Sensores 115
Sensores de caudal
• Contador de velocidad de turbina vertical (entrada única).
Sensores 116
Sensores de caudal
• Contador de velocidad de turbina vertical (entrada múltiple).
Sensores 117
Sensores y detectores de caudal
• Controlador de circulación de compuerta.
Sensores 118
Sensores de caudal
• Caudalímetros de órgano deprimógeno.
Sensores 119
Sensores de caudal
• Caudalímetro de sonda.
Sensores 120
Sensores de caudal
• Caudalímetro electromagnético.
Sensores 121
Sensores de caudal
• Caudalímetros de ultrasonidos.
De efecto de paso De efecto Doppler
Sensores 122
Sensores de caudal
• Preselección.
Sensores 123
Sensores de caudal
Sensores 124
Sensores de caudal
Sensores 125
Sensores de caudal