lunes, 28 de mayo de 2007

Sensores Capacitivos e inductivos


Los sensores capacitivos funcionan de manera opuesta a los inductivos, a medida que el objetivo se acerca al sensor capacitivo las oscilaciones aumentan hasta llegar a un nivel limite lo que activa el circuito disparador que a su vez cambia el estado del switch.

Principio de funcionamiento:
Consta de una sonda situada en la parte posterior de la cara del sensor el cual es una placa condensadora. Al aplicar corriente al sensor, se genera un campo electrostático que reacciona a los cambios de la capacitancia causados por la presencia de un objeto. Cuando el objeto se encuentra fuera del campo electrostático, el oscilador permanece inactivo, pero cuando el objeto se aproxima, se desarrolla un acoplamiento capacitivo entre éste y la sonda capacitiva. Cuando la capacitancia alcanza un límite especificado, el oscilador se activa, lo cual dispara el circuito de encendido y apagado.
Oscilador: La amplitud de oscilación varía al acercarse un objeto.

C. Rectificador: La señal alterna recibida del oscilador es convertida por medio del circuito rectificador, de manera que la aproximación del objeto al sensor se traducirá en una variación de una señal de corriente continua.

Potenciómetro: La sensibilidad (distancia de detección) de la mayoría de los sensores capacitivos puede ajustarse por medio de un potenciómetro. De esta forma es posible eliminar la detección de ciertos medios (por ejemplo, es posible determinar el nivel de un liquido a través de la pared de vidrio de su recipiente.)

Circuito disparador: Este circuito (trigger) compara la señal que le proporciona el rectificador con una señal umbral que cambia ligeramente dependiendo del estado de activación, creando así la histéresis del sensor de proximidad.
Aplicaciones
Detección de nivel de aceite, agua, PVC, colorantes, harina, azúcar, leche en polvo, posicionamiento de cintas transportadoras, detección de bobinas de papel, conteo de piezas metálicas y no metálicas, entre otros.
Guardas:
Consiste en rodear uno de los dos electrodos del condensador con un anillo puesto al mismo potencial que dicho electrodo. Si el otro electrodo se mantiene a un potencial conocido, las líneas de campo eléctrico en el centro quedan limitadas a una zona bien definida. El efecto de la separación g entre la guarda y el electrodo, supuesta g<Condensadores parásitos:
Son condensadores virtuales que crean interferencia o error cuando una de las dos superficies (placa) se coloca a tierra, ya que si otro conductor próximo, por ejemplo la de red de distribución, esta a un determinado potencial con respecto a tierra, la placa que no este conectada a tierra alcanzará también un potencial que según su frecuencia puede interferir en el circuito hasta impedir la medida.

Efecto de borde:
Es el efecto que se produce en los bordes de un condensador de placas paralelas, el cual consiste en el desvío de las líneas de campo eléctrico, haciendo que estas no se comporten en forma perpendicular a dicha placa. Su comportamiento en esta area de las placas es “arqueada”, es decir, las líneas de campo eléctrico van de una placa a la otra en forma de arco y no en forma lineal.

Un método para reducir el efecto de bordes sin alterar las relaciones geométricas, consiste en emplear guardas.

Apantallamiento:
Es la acción de recubrir los cables conductores para evitar las interferencias. Este hecho proporciona un error en el sistema, y es la aparición de condensadores parásitos.


Sensores capacitivos diferenciales: se emplean para medir desplazamientos entre 10-13 y 10 mm, con valores de capacidad del orden de 1 a 100pF. Un condensador diferencial consiste en dos condensadores variables dispuestos físicamente de tal modo que experimenten el mismo cambio pero en sentido contrario.

Mediante un circuito acondicionador adecuado de la señal de salida, se logra que esta sea lineal, y además hay un aumento de la sensibilidad con respecto al caso de un condensador simple.

Se denomina condensador diferencial al formado por tres placas planas paralelas. En general, las placas exteriores suelen ser fijas y la placa central móvil, en respuesta a la variable a detectar. Vemos cómo, a pesar de que C1 y C2 son no lineales, se logra obtener una salida lineal realizando una medida diferencial y con una sensibilidad mayor que en el caso del condensador simple.

Aplicaciones típicas de esta configuración son los micrómetros, acelerómetros e inclinómetros.

Si se disponen las tres placas del condensador diferencial cómo se muestra en la figura derecha y se varía el área entre placas, se tiene que la medida diferencial de la capacidad nos permite obtener una salida lineal con el desplazamiento. Con esta técnica se han llegado a medir desplazamientos de hasta 10-10 mm.

Aunque se ha mejorado en linealidad, el condensador diferencial no esta exento de problemas: dispersión del campo eléctrico en los bordes de los electrodos, aislamiento entre placas, capacidades parásitas, cables de conexión, etc. La dispersión del campo en los bordes de los electrodos puede apreciarse mejor en la figura a. Para evitar este efecto, en la figura b se ha colocado un electrodo de guarda rodeando al electrodo 3. Este electrodo de guarda se mueve junto al electrodo 3 y está puesto a su mismo potencial. Ahora, las líneas de campo aparecen distorsionadas en el borde de la guarda, lo cual no importa ya que no es un electrodo de medida. En cambio el campo si es uniforme en los electrodos de medida. El electrodo de guarda protege simultáneamente al electrodo 3 de campos externos que puedan afectar a la linealidad de la medida.

Aplicaciones de los sensores capacitivos diferenciales:

Estos sensores se utilizan especialmente para medir desplazamientos lineales y angulares.

Este tiene la ventaja de proporcionar mediciones de desplazamiento muy exactas. El circuito necesario para montarlo es similar al puente de wheatstone solo que en lugar de resistencias se usan condensadores. Se debe usar también una capacitancia variable para balancear el circuito.

Este tipo de transductor es útil para medir presión sanguínea, registrar los movimientos de las paredes del pecho, presión plantar, sonidos del corazón y los pulsos radial y braquial. Para lograrlo una de las placas de condensador se mantiene fija, mientras la segunda está unida a un miembro elástico.

Una interesante aplicación de los sensores capacitivos la constituyen los capacitares biológicos. Estos utilizan las propiedades dieléctricas del tejido vivo como una parte del capacitor. Cremen (1907) insertó un corazón latiente de rana entre las dos placas de un condensador y registró el cambio de capacitancia cuando el corazón se llenaba y vaciaba de sangre. Un sistema similar fue desarrollado por Joseph (1944) quien colocó el tórax de sujetos humanos, en registro simultáneo con el ECG mostró que los cambios capacitivos estaban asociados con la actividad cardiaca. Para estudiar el flujo sanguíneo Atzler y Lehman (1932) usaron sujetos humanos colocando un electrodo encima del pecho y el segundo en contacto con la espalda. Fening (1936) desarrolló lo que el llamó oscilocapacitógrafo, utilizando una rata que yacía sobre una placa del capacitor, y la otra placa la colocaba 5mm por encima del tórax del animal. Los movimientos respiratorios cambiaban la capacitancia a través de una variación del área, la separación de las placas y la distribución del dieléctrico, cambios que alteraban la corriente del ánodo del tubo oscilador. Así se obtenía un buen registro de la respiración de las ratas. Para una descripción de estos y otros experimentos refiérase al libro de Wilches o Webster.

En general se puede establecer que los sensores capacitivos tienen un pequeño tamaño, construcción robusta y un pequeño desplazamiento volumétrico. La señal de salida es débil por lo que precisan de amplificadores con el riesgo de introducir errores en la medición. Además son sensibles a variaciones de temperatura.

Ventajas
�� Simplicidad mecánica
�� Error de rozamiento mínimo
�� Tamaño y masa pequeños
�� Alta resolución y sensibilidad
�� Buena reproductibilidad
�� Alta estabilidad con la temperatura
�� Fácil integración en C.I.

Desventajas
�� Resistencias parásitas
�� Alta impedancia de salida
�� Afectados por campos electromagnéticos
�� Necesidad de apantallamiento
�� Utilización de guardas


Aplicaciones de estos sensores:
+Desplazamientos lineales y angulares.
+Detector de proximidad.
+Cualquier magnitud que implique un desplazamiento (presión, fuerza, etc)
+Medida de humedad por variación de e.
+Medida de Tª (de e=k/(T-Tc)).
+Medida de espesores de materiales dieléctricos.
+Medida de nivel de líquidos.
+Presión, fuerza, par y aceleración
+Deformaciones, galgas capacitivas
+Humedad (óxido de aluminio como dieléctrico)
+Análisis químico
+Nivel de líquidos

Acondicionamiento de sensores capacitivos


Sensores de reluctancia variable
Los sensores inductivos basan su funcionamiento en el cambio de la reluctancia total de un circuito magnético cuando se modifican las distancias de los entrehierros. Si tenemos un circuito de N espiras que concatena un flujo y por el que circula una corriente i, la inductancia L se puede expresar como:






sensores de entrehierro variable y los segundos sensores de núcleo móvil.


Sensores Capacitivos: Variando el área:

Consiste en el desplazamiento de las dos placas paralelas del condensador; desplazandolas de un lado hacía al otro, ocasiona un cambio en el área entre una de las placas y el dicho dieléctrico, haciendo que el mismo tengo mayor o menos capacidad para la captación de la señal.


Sensores Capacitivos: Variando la distancia:

Consiste en variar la distancia del dieléctrico que se encuentra centrado entre las dos placas paralelas, de un lado hacía al otro, consiguiendo con esto la variación del área entre placa y dieléctrico con el fin de obtener mayor sensibilidad del sensor.Puente de sensores capacitivos


Sensores Inductivos de Inductancia Mutua.

Este tipo de sensores se basa en la variación de la inductancia mutua entre un primario y cada uno de los dos secundarios al desplazar el núcleo. La denominación LVDT viene de Linear Variable Differential Transformer.

Aunque este dispositivo cambia la impedancia mutua, la salida es una tensión alterna modulada, no un cambio de impedancia. Tiene como limitaciones que en el centro la inductancia mutua no se anula, por deficiencias en el proceso de construcción. Además existe la presencia de armónicos en la salida.

Sin embargo tiene las siguientes ventajas:

a. Resolución infinita.
b. Poca carga mecánica.
c. Bajo rozamiento: vida ilimitado y alta fiabilidad.
d.Ofrecen aislamiento eléctrico entre el primario y el secundario.
e. Aísla el sensor (vástago) del circuito eléctrico
f. Alta repetibilidad.
g. Alta linealidad.
h. Tiene alcances desde 100 micrometro hasta 25 centímetros.
Sensores Electromagnéticos basados en la Ley de Faraday.
Se basa en el principio de que una variación en el flujo magnético sobre una bobina, generauna fuerza electromotriz.

Las condiciones que deben cumplirse para poder usar este tipo de medidor son:
Perfil de velocidades simétrico.
Tubería no metálica ni magnética: teflón o cerámica.
Electrodo de acero o titanio
Tubería llena
Campo magnético continuo o alterno.
Ideal para aguas residuales, líquidos corrosivos o con sólidos en suspensión.



























El efecto hall se refiere a la generación de un potencial en un conductor por el que circula una corriente y hay un campo magnético perpendicular a esta.
Tiene como limitación.
+La temperatura cambia la resistencia del material.
+Hay un error de cero debido a inexactitudes físicas,

Tiene como ventajas:
+Salida independiente de la velocidad de variación del campo magnético.
+Inmune a las condiciones ambientales.
+Sin contacto.Se puede aplicar a la medida de campos magnéticos, medida de desplazamientos