SENSORES DE REACTANCIA VARIABLE Y ELECTROMAGNÉTICOS La variación de la reactancia de un componente o circuito ofrece alternativas de medida a las disponibles con los sensores resistivos. Muchas de ellas no requieren contacto físico con el sistema donde se va a medir, o bien tienen un efecto de carga mínimo. Este tipo de sensores ofrecen soluciones mejores que los resistivos en el caso de medida de desplazamientos lineales y angulares, en el caso de tratar con materiales ferromagnticos, y para la medida de la humedad. La falta de linealidad intrínseca en alguno de los principios de medida empleados se supera con el uso de sensores diferenciales. La alimentación normalmente debe ser con una tensión alterna. Esto limita la frecuencia m!"ima admisible en la variación de la magnitud a medir, que debe ser inferior a la de la tensión de alimentación.
SENSORES CAPACITIVOS Est!n basados en la variación de la capacidad de un condensador como consecuencia de la variación de la magnitud física a medir. #n condensador almacena una carga $ cuando es sometido a una diferencia de potencial %. La carga y la tensión est!n relacionadas por una constante &'( denominada capacidad.
Q=CV La capacidad de un condensador es función de su geometría y de la constante dielctrica &)( del material dielctrico utilizado entre las placas.
C=F(ε , geometr!" 'ualquier magnitud física que modifique la constante dielctrica o la geometría de un condensador podría ser medida midiendo la capacidad. E"isten multitud de sensores capacitivos con geometrías diferentes, adaptadas a la medida de diversas magnitudes físicas.
SENSORES CAPACITIVOS El caso m!s simple es el condensador de placas paralelas que se muestra en la figura. * continuación continuación se muestra muestra el el esquema del principio principio de funcionamiento funcionamiento de diversos sensores capacitivos basados en una variación de !rea, de distancia entre placas y de dielctrico.
El empleo de un condensador variable como sensor est! sujeto a una serie de limitaciones. Efecto borde+ en un condensador de placas paralelas, cuando la separación entre placas es mucho menor que las dimensiones laterales, este efecto es despreciable. En caso contrario, las alteraciones del campo elctrico en las pro"imidades de los bordes del condensador, hacen que la capacidad real del mismo no coincida con la obtenida al aplicar la e"presión teórica. #n mtodo para reducir el efecto de los bordes sin alterar las relaciones geomtricas es el empleo los denominados anillos de guarda. 'onsiste en rodear una de las placas del condensador, a una cierta distancia g, con un anillo puesto al mismo potencial que dicha placa, segn se muestra en la figura.
*islamiento entre placas+ debe ser alto y constante. -or ejemplo, si como consecuencia de variaciones de humedad, se altera el aislamiento ofrecido por el dielctrico y aparecen resistencias par!sitas en paralelo con ', se producen variaciones en la impedancia del condensador no atribuibles a un cambio de
capacidad. Es decir, parte del cambio de impedancia no es consecuencia de la magnitud que se mide. rente a las limitaciones anteriores, los sensores capacitivos presentan una serie de ventajas que los hacen atractivos en muchas aplicaciones. •
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Error por carga mec!nica mínimo+ como sensores de desplazamiento, al no haber contacto mec!nico directo, como sucedía en los potenciómetros, no hay errores por fricción. *dem!s, el elemento móvil suele tener muy poca masa, con lo que su inercia es muy peque/a y la energía necesaria para desplazarlo es despreciable. Estabilidad y reproducibilidad muy elevadas+ al no depender la capacidad de las propiedades de las placas, no afectan en este sentido los cambios de temperatura nihay derivas temporales. 0i el dielctrico es el aire, ) varía poco con la temperatura. -ara otros materiales, las variaciones de temperatura pueden tener m!s influencia. -ero en todo caso, la resistividad varía m!s con la temperatura, por lo que los sensores resistivos deben ser considerados menos inmunes a estos cambios de las condiciones ambientales. Muy alta resolución en la medida de desplazamientos+ esto es consecuencia de la alta resolución que se puede conseguir, con los circuitos de acondicionamiento, en la medida de capacidades. 0e logran detectar desplazamientos de hasta 12 pm. 3o producen campos elctricos ni magnticos grandes+ esto es una ventaja frente a los sensores inductivos, que pueden producir campos magnticos de dispersión intensos que perturban el funcionamiento de otros circuitos del entorno.
CONDENSADOR DIFERENCIAL #n condensador diferencial est! formado por dos condensadores variables dispuestos físicamente de tal modo que e"perimenten el mismo cambio, bajo la acción de la magnitud a medir, pero en sentidos opuestos. Mediante un acondicionamiento adecuado se consigue una salida lineal y una sensibilidad mayor que en el caso de un condensador variable simple.
SENSORES IND#CTIVOS SENSORES BASADOS EN LA VARIACI$N DE REL#CTANCIA 0i el circuito magntico incluye tramos en el aire y tramos en un material ferromagntico dispuestos en serie, la e"presión general de la reluctancia es+
SENSORES IND#CTIVOS SENSORES BASADOS EN LA VARIACI$N DE REL#CTANCIA La aplicación de una inductancia variable a la transducción est! sujeta a algunas limitaciones. •
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Los campos magnticos par!sitos+ afectan a L, por lo que puede ser necesario disponer un apantallamiento magntico a su alrededor para que los cambios observados sean sólo debidos al fenómeno a detectar. La relación entre L y 4 no es constante en todo el dispositivo+ varía hacia los e"tremos del mismo porque el campo deja de ser uniforme. El flujo magntico disperso es mayor que el flujo elctrico disperso en los condensadores. Esto limita el alcance de medida y es una fuente de interferencias para otros dispositivos o circuitos pró"imos. L y 4 son inversamente proporcionales+ si el par!metro variable es la longitud, el dispositivo tendr! una impedancia inversamente proporcional a la misma. 0i lo que varía es 5, entonces hay proporcionalidad entre la impedancia y la magnitud a medir. Entre las principales ventajas destacaremos las siguientes. Les afecta poco la humedad ambiente y otros contaminantes, a diferencia de los sensores capacitivos. 6mponen poca carga mec!nica, aunque superior a la de un condensador variable. *lta sensibilidad, superior a la de los sensores capacitivos.
En cuanto a las aplicaciones, las m!s importantes son las medidas de desplazamiento y posición, y los detectores de pro"imidad de objetos met!licos frricos, en particular en entornos industriales con polvo en el ambiente y vibraciones. Estos sensores tambin pueden medir otras magnitudes si un sensor primario apropiado las convierte en un desplazamiento.
SENSORES BASADOS EN LA VARIACI$N DE REL#CTANCIA%
Esquemas de diferentes configuraciones de este tipo de sensores.
SENSORES ELECTROMAGNÉTICOS TACOGENERADORES Este tipo de sensores est!n basados en la ley de araday. 0egn la cual, si una bobina con 3 espiras est! inmersa en un campo magntico y abarca un flujo 7, se induce en ella una tensión e que viene dada por la siguiente e"presión+
Los denominados tacogeneradores o tacómetros de alterna son similares, en su funcionamiento, a un generador de energía elctrica. 0i se tiene un circuito de 3 espiras, que gira a una velocidad angular 8, inmerso en un campo magntico fijo de densidad de flujo 9, la tensión inducida ser!+
0e induce, por tanto, una tensión alterna de amplitud y frecuencia proporcionales a la velocidad de giro. El sensor sería mucho m!s pr!ctico si sólo variara la amplitud con la velocidad de giro. -ara conseguir esto, se emplea una disposición como la que se muestra en la figura. :ay dos devanados, uno de e"citación y otro de detección, dispuestos con un desfase espacial de ;2<. El rotor, cuya velocidad de giro se pretende medir, est! formado por una serie de espiras cortocircuitadas dispuestas alrededor de un tambor. Es lo que se denomina rotor en jaula de ardilla. 0i el devanado de e"citaciónse alimenta con una tensión alterna de
amplitud constante y frecuencia 8, al girar el rotor a una velocidad 8a, en el devanado de detección, se obtiene una tensión de salida+
