i INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE LAS CHOAPAS.
Tema: Sensores.
Trabajo: Investigación. Investigación.
Carrera: Ingeniería en Sistemas Computacionales.
Presenta: Edvin Esteban Jimenez.
Docente: Ing. José Eduardo Gerónimo Castro.
Edvin vin Esteb steban an Jim Jiméne énez Elaboro
Ing. Ing. José José Eduar duardo do Geró Geróni nimo mo Cast Castro ro Recibió
Las Choapas Choapas ver. A 07 de septiemb septiembre re de 2016. Sistemas Programables
ÍNDICE INTRODUCCION......................................................................................................................................1 UNIDAD UNI DAD 1 SENSORES..........................................................................................................................2 1.1 1. 1 Ópticos............................................................................................................................................. ........................................................................2 1.1.1 Tipos de Sensores Ópticos.................................................................................................2 1.1.2 Funcionamiento Funcionamiento de Sensores Óptico Ópticos. s. ............................................................................3 1.1.3 Características Características de Sensores Ópticos. ..............................................................................4 1.1.4 Modo de Comunicación de Sensores Ópticos. ..............................................................5 1.2 1. 2 temperatura. ....................................................................................................................................5 1.2.1 Tipos de sensores de temperatura ...................................................................................5 1.2.2 Funcionamiento Funcionamiento de sensores de tempera temperatura tura ................................................................6 1.2.3 características de sensores de temperat temperatura ura ...................................................................6 1.2.4 Modo de comunicación de sensores de temperatura ..................................................6 1.3 1. 3 sensores de presión. ....................................................................................................................7 1.3.1 tipos de sensores de presión. .............................................................................................7 1.3.2 Funcionamiento Funcionamiento de sensores de presión........................................................................7 1.3.4 Características Características de sensores de presión..........................................................................8 1.3.5 modo de comunicación de sensores de presión. ..........................................................8 1.4 1. 4 sensor de proximidad. ..................................................................................................................8 1.4.1 tipos de sensor de proximidad. ..........................................................................................8 1.4.2 Funcionamiento Funcionamiento de sensor de proximidad......................................................................9 1.4.3 Características Características de sensor de proximidad......................................................................10 10 1.4.4 Modo de comunicación de sensor de proximidad. .....................................................10 CONCLUSIÓN. .......................................................................................................................................11 11 BIBLIOGRAFÍA. ......................................................................................................................................12 12
Sistemas Programables
INTRODUCCION En esta unidad de Sistemas Programables, se verán los que son los sensores y los distintos tipos de sensores que existen, así como sus clasificaciones, tipos, familias, y muchas otras características propias de cada tipo de sensor como son los ópticos, los de temperatura y los de presión. El estudio detallado de las características particulares de cada tipo de sensor, sirve para poder comprender el alcance de su utilidad en caso reales y específicos para poder emplearlos en la resolución de diversas problemáticas que conlleven a la utilización de sensores. El empleo de los sensores en la vida diaria es de un alto nivel, ya que hay múltiples dispositivos que a diario se utilizan en diversas situaciones, y para diversos usos. Todo esto conlleva a un análisis detallado de los alcances y limitaciones de dichos componentes electrónicos. En un proceso controlado, los sensores son los elementos que miden las distintas variables, indican los errores, recogen los estados y transmiten esta información al sistema de control de proceso. Las variables del proceso pueden ser: temperatura, presión, fuerza, longitud, ángulo de giro, nivel, caudal, etc. La función de los sensores es convertir estas variables físicas en otras más fáciles de evaluar (generalmente en señales eléctricas). Los controles con sensores realizan muchas funciones en los sistemas de fabricación automatizada y en los sistemas de manejo de materiales. Estos se utilizan para contar, posicionar, determinar la orientación de un producto, clasificar, monitorear, medir la productividad y asegurar la calidad entre otros. Los sensores responden a la presencia o a la ausencia de virtualmente cualquier tipo de objeto, grande o pequeño, transparente u opaco, brillante o mate.
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Unidad I: Sensores Ópticos El término sensor se refiere a un elemento que produce en su salida una señal, relacionada con la cantidad que se está midiendo, independientemente del tipo de variable de que se trate. Los sensores son elementos físicos que pertenecen a un tipo de dispositivo llamado transductor; los sensores son un tipo concreto de transductores que se caracterizan porque son usados para medir la variable transformada. La magnitud física que suele ser empleada por los sensores como resultado suele ser la tensión eléctrica, debido a la facilidad del trabajo con ella. Detectan la presencia de una persona o de un objeto que interrumpen el haz de luz que le llega al sensor. Los detectores ópticos basan su funcionamiento en la emisión de un haz de luz que es interrumpido o reflejado por el objeto a detectar. Tiene muchas aplicaciones en el ámbito industrial y son ampliamente utilizados. 1.1.1 Tipos Muchos de los sensores son eléctricos o electrónicos, aunque existen otros tipos. Un sensor es un tipo de transductor que transforma la magnitud que se quiere medir, en otra, que facilita su medida. Pueden ser de indicación directa (un termómetro de mercurio) o pueden estar conectados a un indicador (posiblemente a través de un convertidor analógico a digital, un computador y un display) de modo que los valores censados puedan ser leídos por un humano. Por lo general la señal de salida de estos sensores no es apta para su procesamiento, por lo que se usa un circuito de acondicionamiento, como por ejemplo un puente de Wheatstone, y amplificadores que adaptan la señal a los niveles apropiados para el resto de la circuitería. Cilíndricos. Esta familia de Sensores de la línea Visolux contiene 7 series con un amplio rango de versiones en distintos tamaños y alcances. Todos están disponibles en versiones para detección directa o por barrera. Serie KT9: Ø 4mm, alcance 0–250 mm (como barrera) y 0–50 mm (detección directa). Versiones con conector o cable. Serie VL 18: alcance 0–15 m (barrera), 0–4 m (con espejo) y 0–400 mm (detección directa). Conector M12. Luz roja visible para una fácil alineación. Cuerpo roscado M12. Versiones con salida de luz directa y con salida de luz lateral. Disponible en versiones con supresión de fondo. Rectangulares: Comprende 16 series, cada una con distinto formato físico y diversas prestaciones. Algunas series ofrecen modelos aptos para bus AS-i y otras ofrecen parametrización programable y sistemas de autoaprendizaje (Teach-In). Existen
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versiones para detección directa, para detección por barrera y para detección mediante espejo. Una familia que incluye 5 clases, cada una con el mismo formato físico y diversas prestaciones. Comprenden versiones de detección por espejo, detección directa, detección de objetos transparentes, barreras con emisor y receptor separados y versiones para aplicaciones de seguridad personal. Sensores especialmente diseñados para detectar cualquier tipo de marca de impresión. Versión Scanner Láser para marcas muy pequeñas. La electrónica incorporada permite la selección automática del color de la luz transmitida (rojo, verde, azul) para garantizar detección aun con contraste reducido. Procedimiento automatizado mediante Teach In para el ajuste del umbral de sensibilidad y para la selección de colores. Dos posiciones de censado intercambiables. Opcionalmente pueden proveerse con carcaza de acero inoxidable y/o con lentes de plástico.
1.1.2 Funcionamiento Todos los sensores utilizan uno o más principios físicos o químicos para convertir una variable de entrada al tipo de variable de salida más adecuado para el control o monitoreo de cada proceso particular. Estos principios o fenómenos se manifiestan en forma útil en ciertos materiales o medios y pueden estar relacionados con las propiedades del material en sí o su disposición geométrica. En el caso de sensores cuya salida es una señal eléctrica, la obtención de esta última implica generalmente el uso de un transductor primario y, opcionalmente, uno o más transductores secundarios. La función del transductor primario es convertir la magnitud física a medir en otra más fácil de manipular. Esta última no tiene que ser necesariamente de naturaleza eléctrica. Por ejemplo, un bimetal, que es un dispositivo formado por dos metales de distintos coeficientes de dilatación, es un tipo de transductor primario porque convierte una variación de temperatura en un desplazamiento físico equivalente. Este último puede ser utilizado para mover una aguja o accionar un interruptor. Otros ejemplos son los los tubos de Bourdon (presión), los tubos de Pitot (velocidad de flujo), los rotámetros (caudal), los flotadores (nivel), las termocuplas (temperatura), etc. El transductor o transductores secundarios, cuando son requeridos, actúan sobre la salida del transductor primario para producir una señal eléctrica equivalente. Una vez obtenida, esta última es sometida a un proceso de acondicionamiento y amplificación para ajustarla a las necesidades de la carga exterior o de la circuitería de control. El sensor de luz puede determinar si está viendo un trozo de papel blanco o negro. Cuando el sensor de luz está sobre papel blanco, lee un valor de 50. Cuando está sobre el papel Negro, mide un valor de 33 (valores aproximados). El sensor de luz detecta luz en ángulo muy amplio. Para disminuir el campo de visión se puede colocar una barra de 1×2 con un agujero frente al sensor. De ese modo el sensor solo detectará la luz directamente al frente de él.
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1.1.3 Características A los sensores, se les debe exigir la siguiente serie de características: Exactitud: Se debe poder detectar el valor verdadero de la variable sin errores sistemáticos. La media de los errores cometidos debe tender a cero. Precisión: Una medida será más precisa que otra si los posibles errores aleatorios en la medición son menores. Rango de funcionamiento. El sensor debe tener un amplio rango de funcionamiento, es decir, debe ser capaz de medir de manera exacta y precisa un amplio abanico de valores de la magnitud correspondiente. Velocidad de respuesta. El sensor debe responder a los cambios de la variable a medir en un tiempo mínimo. Lo ideal sería que la respuesta fuera instantánea. Rango de medida: dominio en la magnitud medida en el que puede aplicarse el sensor. Offset o desviación de cero: valor de la variable de salida cuando la variable de entrada es nula. Si el rango de medida no llega a valores nulos de la variable de entrada, habitualmente se establece otro punto de referencia para definir el offset. (down) Sensibilidad de un sensor: suponiendo que es de entrada a salida y la variación de la magnitud de entrada. 1.1.4 Modo de comunicación Un sensor se comunica en el aprovechamiento de la interacción entre la luz y la materia para determinar las propiedades de ésta. Una mejora de los dispositivos sensores, comprende la utilización de la fibra óptica como elemento de transmisión de la luz
El modo de operación de los sensores ópticos varía de acuerdo a su tipo, a continuación: Barrera de Luz Rango amplio (20m) El Alineamiento es crítico.
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1.2 Temperatura Los sensores de temperatura convierten una magnitud física en una resistencia o tensión eléctrica. El uso de sensores de temperatura es muy amplio. Sea que se trate de la temperatura ambiental en la casa o en la oficina o la temperatura precisa de un material en proceso de ebullición, la medición de temperatura en el ámbito privado o industrial es muy importante. Los sensores de temperatura usan diferentes efectos físicos para convertir la temperatura en una magnitud eléctrica. Hay tres tipos de sensores de temperatura, los termistores, los RTD y los termopares. El sensor de temperatura, típicamente suele estar formado por el elemento sensor, de cualquiera de los tipos anteriores, la vaina que lo envuelve y que está rellena de un material muy conductor de la temperatura, para que los cambios se transmitan rápidamente al elemento sensor y del cable al que se conectarán el equipo electrónico. 1.2.1 Tipos En la actualidad hay muchas formas de medir la temperatura con todo tipo de sensores de diversas naturalezas. La ingeniería de control de procesos ha inventado, perfeccionado e innovado a la hora de disponer de sensores que les ayuden a controlar los cambios de temperatura en procesos industriales. Termopares Los termopares son los sensores de temperatura utilizados con mayor frecuencia porque son sensores precisos relativamente económicos que pueden operar en un amplio rango de temperaturas. Un termopar se crea cuando dos metales diferentes se juntan y el punto de contacto produce un pequeño voltaje de circuito abierto como una función de temperatura. Puede usar este voltaje termoeléctrico, conocido como voltaje Seebeck para calcular la temperatura Para pequeños cambios en temperatura, el voltaje es aproximadamente lineal: RTD Un RTD de platino es un dispositivo hecho de bobinas o películas de metal (platino generalmente). Al calentarse, la resistencia del metal aumenta; al enfriarse, la resistencia disminuye. Pasar corriente a través de un RTD genera un voltaje en el RTD. Al medir este voltaje, usted puede determinar su resistencia y por lo tanto, su temperatura. La relación entre la resistencia y la temperatura es relativamente lineal. Generalmente, los RTDs tienen una resistencia de 100 Ω a 0 °C y pueden medir temperaturas hasta 850 °C.
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Termistor Un termistor es una pieza de semiconductor hecha de óxidos de metal que están comprimidos en una pieza, disco, oblea u otra forma y son sometidos a altas temperaturas. Por último son cubiertos con epoxi o vidrio. Al igual que con los RTDs, usted puede pasar una corriente a través de un termistor para leer el voltaje en el termistor y determinar su temperatura. Sin embargo, a diferencia de los RTDs, los termistores tienen más alta resistencia (2,000 a 10,000 Ω) y una sensibilidad mucho más alta (~200 Ω/°C), permitiéndoles alcanzar más alta sensibilidad en un rango de temperatura limitado (hasta 300 °C). 1.2.2 Funcionamiento La temperatura es una medida del promedio de energía cinética de las partículas en una unidad de masa, expresada en unidades de grados en una escala estándar. Puede medir temperatura de diferentes maneras que varían de acuerdo al costo del equipo y la precisión. Un sensor de temperatura garantiza una salida continua en función de la temperatura real del sistema, lo que permite controlar por completo el proceso. La señal de salida del sensor puede ser:
Ohm, RTD, NTC / PTC; Tensión, termopares; mA / tensión, transmisores. En función de la tecnología de sensor necesaria.
1.2.3 Características Medición de temperatura. El resultado de medición es variable Alto grado de protección contra la humedad; Medición de temperaturas entre – 50 ºC y 800 ºC; Punta de medición fija o intercambiable; Elemento de resistencia Pt 100 / Pt 1000, NTC / PTC y termopares; Disponible con transmisor incorporado. 1.2.4 Modo de comunicación de sensores de temperatura El modo de comunicación de los sensores de temperatura puede ser por medio de contacto físico, si es por infrarrojo es por ondas.
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1.3 Presión En la técnica de procesos, por ejemplo, entre un 30 y un 40 % de todas las mediciones son mediciones de presiones. La presión que se acumula hasta que empiece el flujo y la presión de retención son magnitudes importantes en la neumática. Las unidades de mantenimiento utilizadas en sistemas neumáticos tienen que estar equipadas con un manómetro y una unidad de ajuste de la presión. Para medir la presión se utilizan sensores que están dotados de un elemento sensible a la presión y que emiten una señal eléctrica al variar la presión o que provocan operaciones de conmutación si esta supera un determinado valor límite. 1.3.1 Tipos Sensores Mecánicos Sensor Medición directa Manómetros presión absoluta Barómetros Manómetros de tipo U Manómetros tipo Pozo Sensores Elásticos Tubo Bourdon Diafragma Fuelle Sensores electromecánicos 1.3.2 Funcionamiento La función principal de los sensores de presión es verificar la magnitud física de presión ejercida en un cuerpo. Las mediciones de presión pueden ser desde valores muy bajos que se consideran un vacío, hasta miles de toneladas de por unidad de área. Control de sujeción, Succión de elementos, succión de tornillos en atornilladores automáticos, apretado de tuercas automáticas, control de fuerza en pinzas prensoras, confirmación de presión a la soldadura. Los sensores piezorresistivos de la presión del silicio de la detección y del control de Honeywell contienen los elementos de detección que consisten en cuatro piezoresistores enterrados frente a un diafragma fino, químico-grabado al agua fuerte del silicio. Un cambio de la presión hace el diafragma doblar, induciendo una tensión en el diafragma y los resistores enterrados. Los valores del resistor cambian en proporción con la tensión aplicada y producen una salida eléctrica.
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1.3.3 Características Las características que se aplican a la medición de presión se utilizan también en la determinación de temperaturas, flujos y niveles de líquidos. Por lo tanto, es muy importante conocer los principios generales de operación, los tipos de instrumentos, los principios de instalación, la forma en que se deben mantener los instrumentos, para obtener el mejor funcionamiento posible, cómo se debe usar para controlar un sistema o una operación y la manera como se calibran. Para medir la presión se utilizan sensores que están dotados de un elemento sensible a la presión y que emiten una señal eléctrica al variar la presión o que provocan operaciones de conmutación si esta supera un determinado valor límite. 1.3.4 Modo de comunicación El control de la presión en los procesos industriales da condiciones de operación seguras. Cualquier recipiente o tubería posee cierta presión máxima de operación y de seguridad variando este, de acuerdo con el material y la construcción. Las presiones excesivas no solo pueden provocar la destrucción del equipo, si no también puede provocar la destrucción del equipo adyacente y ponen al personal en situaciones peligrosas, particularmente cuando están implícitas, fluidos inflamables o corrosivos. Para tales aplicaciones, las lecturas absolutas de gran precisión con frecuencia son tan importantes como lo es la seguridad extrema. 1.4 Proximidad Un sensor de proximidad es un transductor que detecta objetos o señales que se encuentran cerca del elemento sensor. Existen varios tipos de sensores de proximidad según el principio físico que utilizan. Los más comunes son los interruptores de posición, los detectores capacitivos, los inductivos y los fotoeléctricos, como el de infrarrojos. 1.4.1 Tipos Existen varios tipos de sensores de proximidad según el principio físico que utilizan. Los más comunes son los interruptores de posición, los detectores capacitivos, los inductivos y los fotoeléctricos, como el de infrarrojos. Interruptores de posición El final de carrera o sensor de contacto (también conocido como "interruptor de límite") o limit switch, son dispositivos eléctricos, neumáticos o mecánicos situados al final del recorrido de un elemento móvil, como por ejemplo una cinta transportadora, con el objetivo de enviar señales que puedan modificar el estado de un circuito.
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Capacitivos La función del detector capacitivo consiste en señalar un cambio de estado, basado en la variación del estímulo de un campo eléctrico. Los sensores capacitivos detectan objetos metálicos, o no metálicos, midiendo el cambio en la capacitancia, la cual depende de la constante dieléctrica del material a detectar, su masa, tamaño, y distancia hasta la superficie sensible del detector. Inductivos Los sensores inductivos de proximidad han sido diseñados para trabajar generando un campo magnético y detectando las pérdidas de corriente de dicho campo generadas al introducirse en él los objetos de detección férricos y no férricos. Fotoeléctricos El receptor de rayos infrarrojos suele ser un fototransistor o un fotodiodo. El circuito de salida utiliza la señal del receptor para amplificarla y adaptarla a una salida que el sistema pueda entender. Ultrasónico Los sensores de ultrasonidos son detectores de proximidad que trabajan libres de roces mecánicos y que detectan objetos a distancias de hasta 8m. El sensor emite impulsos ultrasónicos. Estos reflejan en un objeto, el sensor recibe el eco producido y lo convierte en señales eléctricas, las cuales son elaboradas en el aparato de valoración. Estos sensores trabajan solamente en el aire, y pueden detectar objetos con diferentes formas, superficies y de diferentes materiales. Magnético Los sensores de proximidad magnéticos son caracterizados por la posibilidad de distancias grandes de la conmutación, disponible de los sensores con dimensiones pequeñas. Detectan los objetos magnéticos (imanes generalmente permanentes) que se utilizan para accionar el proceso de la conmutación. 1.4.2 Funcionamiento Un sensor de proximidad funciona a base de un sensor llamado pirólico y detecta cambios de calor en el área de cobertura. La parte que resulta indispensable para el buen funcionamiento es una lente (llamado de Fresnel) que se antepone al sensor y consta de varios círculos concéntricos que permiten que el objeto que emana calor (como el cuerpo humano) perturbe más fácilmente al detector ya que la lente y su diseño lo permiten. Lo demás es un circuito que, a partir de esta detección, temporiza por cierto tiempo la salida para controlar lámparas u otros artefactos
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1.4.3 Características La tensión de alimentación es de 5 voltios de continua. Podrá alimentarse directamente de la salida de 5V para sensores de la controladora ENCONOR. La salida es de tipo todo-nada y se conectará directamente a alguna entrada digital de las controladoras ENCONOR. La distancia a la cual se detectará un objeto dependerá de varios factores
1.4.4 Modo de comunicación de sensor de proximidad. Modo de comunicación (ejemplo de Wireless) Los sensores se comunican con el módulo de entrada (C) vía las antenas (B) que están montadas en la celda. Estos módulos de entrada pueden manejar las señales de hasta 120 sensores inalámbricos simultáneamente y pueden ser conectados al sistema de control existente en la planta por cualquier tipo de protocolo (Profibus DP, Device NET, Mod-bus, AS-I, CANopen etc). Los módulos de entradas (C) pueden ser utilizados en la cantidad que sea necesaria.
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CONCLUSIÓN. En esta unidad vemos como se hay diferentes tipos de sensores que se aplican en diferentes situaciones, existes sensores ópticos, de temperatura, presión y de proximidad. Unas de las principales funciones de los sensores es detectar dicha función para determinada situación. Los sensores pueden estar conectados a un computador para obtener ventajas como son el acceso a una base de datos, la toma de valores desde el sensor, etc Normalmente estos dispositivos se encuentran realizados mediante la utilización de componentes pasivos (resistencias variables, PTC, NTC, LDR, etc... todos aquellos componentes que varían su magnitud en función de alguna variable), y la utilización de componentes activos.
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BIBLIOGRAFÍA. http://www.pce-iberica.es/instrumentos-de-medida/sistemas/sensorestemperatura.htm http://www.danfoss.com/Latin_America_spanish/BusinessAreas/IndustrialControls/ Products_pdf/Temperature+sensors.htm http://www.sensing.es/Transductores_de_presion_Cm.htm http://www.bloginstrumentacion.com/blog/2010/06/28/como-funciona-untransmisor-de-presion/ http://sensoresdepresion.blogspot.mx/ http://centrodeartigos.com/articulos-utiles/article_123618.html
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