SENSORES DIGITALES (NARICES ELECTRONICAS)

Los sensores digitales son aquellos que entregan directamente una salida digital, ya sean en forma de "Unos" y "Ceros, o ya en código binario (binario puro, hexadecimal, código Gray, etc.) En todos los casos, estamos hablando de sensores que no requieren de convertidores A/D, aunque si pueden requerir de amplificadores para acondicionar los niveles y la forma de la señal.
Existen otros métodos de detección, que aunque quizás no sean sensores digitales, son dispositivos que no califican en las técnicas descritas como es el caso de los sensores basados en uniones semiconductoras, ultrasonidos y fibras ópticas.

Sensor Digital (Narices Electrónica).

Las narices electrónicas son dispositivos inspirados en el sistema olfativo de los mamíferos y diseñados para realizar las mismas funciones que estas. Su principal aplicación es la identificación de aromas, es decir, establecer si determinado olor se puede asociar con algún producto o con estados especiales de este, como la frescura o la descomposición.

Las narices electrónicas intentan hacer lo mismo, pero, a diferencia de las biológicas, tienen la particularidad de que se valen de la matemática para describir lo que identifican.
Una “nariz electrónica” (NE) es un instrumento que puede oler, es decir, es capaz de realizar análisis cualitativos y/o cuantitativos de una mezcla de gases, vapores y olores. La NE es un instrumento de olfato artificial que permite distinguir y reconocer aromas utilizando sensores de gas. Un dispositivo de este tipo tiene al menos 4 partes con diferentes funciones: la primera realiza la adecuación de la mezcla gaseosa y el muestreo, el conjunto de sensores de gases hace la detección, la electrónica de control se dedica a la gestión del conjunto de sensores y adecuación de la señal, y finalmente, la computadora, con adecuados algoritmos de clasificación de patrones, extrae los rasgos característicos o "huellas" de cada aroma y presenta los resultados en la interfaz con el usuario.

Principio de acción de la nariz electrónica frente a la nariz orgánica

Principio de acción de la nariz electrónica.

Elementos que componen a una nariz electrónica.

En toda nariz electrónica se pueden distinguir tres módulos básicos:

• Módulo de muestreo, para la adecuación de la muestra gaseosa.




• Matriz de sensores, que hacen la detección de los gases.




• Un sistema informático, para la clasificación, identificación y almacenaje de la información que viene de los sensores.

Esquema general del Prototipo

Fotografia de un prototipo

Breve Descripción del Proceso.

El proceso de medida empieza con la introducción de muestras de frutas en la cámara de concentración, donde permanecen el tiempo necesario para producir suficientes volátiles. Transcurrido un intervalo prefijado de tiempo se recoge una muestra de la atmósfera contaminada de la cámara de concentración y se inyecta en la cámara de medida.
En ese momento la matriz de sensores reacciona ante la presencia de nuevos volátiles cambiando sus características eléctricas, variaciones que son monitorizadas y grabadas por el computador a través de una placa de adquisición de datos y un programa creado para gestionar todo el proceso de medida, posteriormente se procesan los datos con algoritmos.

Módulo de muestreo.

El módulo de muestreo está formado por tres partes:

• Cámara de Concentración: en ella se obtienen volátiles con concentraciones elevadas en forma sencilla.


• Cámara de Medida: en ella se encuentra la matriz de sensores químicos y es donde se inyectan los volátiles que provienen de la cámara de concentración, esta debe estar bien sellada.


• Jeringa Cromatográfica: con ella se realiza el transporte de la muestra gaseosa desde la cámara de concentración hasta la cámara de medida.

Esquema de la cámara de medida

Matriz de Sensores.

En este módulo se incluyen tanto los sensores de gases como toda la circuitería electrónica asociada. A continuación se listan los sensores de gases más utilizados:

• MOS: metal oxide semiconductor.
• QCM: quartz crystal microbalance.
• SAW: surfease acoustic waves.
• MOSFET: metal oxide semiconductor field effect transistor.
• CP: conducting polymers.
• FO: fiber optics.

Sensores de Gases.
Los sensores de gases más utilizados son los de tipo semiconductor de óxido de estaño, presentan una alta sensibilidad en presencia de diversos volátiles orgánicos, pueden ser integrados en un equipo portátil y su costo es bajo.
Estos sensores basan su funcionamiento en la variación de la resistencia eléctrica que presenta su capa activa ante diferentes compuestos volátiles.

Funcionamiento de los sensores MOS.

Cuando el sensor se calienta a una temperatura cercana a 400˚C, ante la ausencia de oxígeno, los electrones libres fluyen fácilmente entre las fronteras granuladas de dióxido de estaño. En aire puro, el oxígeno, que atrapa electrones debido a su afinidad electrónica, queda absorbido en la superficie del dióxido de estaño creando una barrera de potencial en las fronteras granulares. Esta barrera dificulta la libre circulación de electrones aumentando la resistencia eléctrica de la capa activa.
Ante una atmósfera rica en gases reductores, la superficie de dióxido de estaño absorbe estas moléculas gaseosas provocando su oxidación. Este proceso disminuye la barrera de potencial facilitando la circulación de electrones libres, lo que reduce la resistencia del sensor.

Sensores Taguchi (serie 8)

Aplicación de los sensores Taguchi (serie 8)

Sensores Fis (serie SP)

Aplicación de los sensores Fis (serie SP)

Circuitos de Polarización y Medida

Los sensores de dióxido de estaño son sensores resistivos, además para trabajar correctamente requieren que la capa activa esté a temperaturas elevadas, por lo que necesitan una resistencia calefactora que eleve la temperatura hasta su valor de trabajo.

Circuito de polarizacion

Circuito de Medida

Sistema de Adquisición y Procesado.

Un primer programa se encarga de la adquisición de datos y su posterior almacenamiento en un fichero. Este programa realiza un muestreo periódico de la tensión presente en la resistencia de carga de los circuitos de medidas de cada uno de los sensores que componen la matriz. A partir de esta tensión el programa calcula la resistencia de la capa activa.
Un segundo programa, posteriormente realizadas las medidas, extrae las características importantes y aplica algoritmos de reconocimiento de patrones. Estos algoritmos son el análisis de componentes principales, las redes neuronales, etc.

Procesado de la Señal.

El procesado de señal multivariante que se integra en las narices electrónicas tiene su origen en la química analítica. A las técnicas tradicionales como el: Principal Component Analisys (PCA) o el Partial Least Squares (PLS), se han ido añadiendo nuevos algoritmos que se engloban dentro del campo denominado “Reconocimiento de patrones” o “Técnicas de inteligencia artificial”. Dentro de esta última se engloban a los diferentes algoritmos que implementan redes neuronales artificiales.

Evolución de la Señal

Procesado de la Señal.

El objetivo principal del procesamiento es el de extraer la información relevante para obtener la respuesta deseada, minimizando las interferencias que pueda introducir la matriz de sensores. En el caso de la fruta estas técnicas deben realizar dos funciones:

• Clasificar muestras en función de su grado de maduración. Para ello se pueden aplicar cualquiera de las técnicas que clasifican las medidas a partir de la información multidimensional.
• Estimar el valor de diferentes indicadores de calidad de forma no destructiva. En este caso es necesario aplicar técnicas de redes neuronales feed-forward que aprenden a relacionar señales en los sensores con condiciones físico-químicas en las piezas de frutas analizadas.

Aplicaciones del Sensores Narices Electrónica.

Aplicaciones en la Industria Alimenticia.

Entre las aplicaciones específicas dentro de la industria de la alimentación está la determinación de la calidad de las materias primas, evolución durante la producción, control de procesos de cocción, monitoreo de procesos de fermentación, inspección de pescado en almacén, chequeo de ranciedad, deterioro por envejecimiento, verificación de ingredientes para jugos, monitoreo de bebidas, graduación alcohólica de licores, inspección de olores en contenedores y empacado de alimentos y determinación del tiempo en que se produce la pérdida de calidades de aroma en productos conservados.

Aplicaciones en Diagnóstico Médico.

Las narices electrónicas pueden examinar distintos olores del cuerpo humano presentes en: respiración, heridas, y fluidos corporales, entre otros, e incluso identificar posibles problemas.
El análisis del aire exhalado puede ser usado para diagnosticar irregularidades gastrointestinales, sinusitis, infecciones respiratorias, fuentes bacterianas de mal olor bucal, diabetes e insuficiencias hepáticas.

Las heridas infectadas o los tejidos emiten olores distintivos que pueden también detectarse.El olor de la orina puede indicar o detectar problemas en el hígado o en la vejiga, o bien detectar diabetes. También su uso es muy satisfactorio en detección de enfermedades de la piel o infecciones bacterianas, tales como las que acompañan las heridas o en quemaduras.

Aplicaciones Ambientales.

En este campo de gran importancia se cuenta con la ventaja de la portabilidad de muchos sistemas y de su capacidad de identificar contaminantes.
Se pueden utilizar para detectar mezclas de combustibles, perdidas de aceite, olores de efluentes industriales y urbanos, identificación de residuos tóxicos, monitoreo de la calidad del aire en ambientes urbanos abiertos o públicos cerrados y emisiones gaseosas de industrias.
También encuentran aplicación en la detección de emisiones automotoras, en la verificación de solventes y en la determinación de los añadidos químicos para el mercado automotor.

Aplicaciones en Procesos Industriales.

En muchas industrias se las integra con los exámenes de visión que se utilizan para el chequeo de la integridad visual (color, dimensión de una variable, talla) de productos. El examen olfativo evalúa la integridad química (estado coherente, presencia de contaminantes) dando una mayor seguridad a la calidad del producto.

Las señales digitalizadas del vapor de distintas muestras se pueden transmitir electrónicamente, permitiendo comparar los datos en “tiempo real” para asegurar que el mismo proceso se está ejecutando correctamente al mismo tiempo en dos o más localizaciones de planta.

Aplicación en Seguridad y Usos Militares

Últimamente se están comenzando a utilizar en la detección de sustancias prohibidas, así como drogas, explosivos y materiales peligrosos.

En estas aplicaciones suelen llamarse olfateadores, especialmente cuando detectan trazas de explosivos o drogas ilícitas en aeropuertos o pasos fronterizos. Las trazas de estas sustancias se encuentran en forma de vapor o partículas de material en pequeñas cantidades

SENSORES GENERADORES (FLUJO MAGNETICO)

Un sensor convierte una señal física de un tipo en una señal física de otra naturaleza. Por ejemplo una termocupla produce un voltaje que está relacionado con la temperatura, así mismo en una resistencia metálica se aprovecha el fenómeno de variación de la resistencia con la temperatura para producir una señal de voltaje que sea proporcional a la temperatura.

La diferencia entre los dos ejemplos está que para el caso de la termocupla se produce un milivoltaje producto de la unión de dos materiales a una determinada temperatura, en el segundo ejemplo la pura resistencia por sí sola no puede hacer la conversión a voltaje sino que requiere de un circuito y de una fuente de alimentación. En el primer caso tenemos al elemento sensor sólo, en el segundo a el elemento sensor más un circuito, en este segundo caso la unión de los dos constituye el transductor. Tanto en el caso de la termocupla como de la resistencia metálica se necesitan etapas adicionales de acondicionamiento como amplificación y filtraje de la señal.

Sensores Generadores
Se consideran Transductores Generadores aquellos que generan una señal eléctrica a partir de la magnitud que miden, sin necesidad de una alimentación eléctrica.

Esto es una alternativa para medir muchas de las magnitudes ordinarias como por ejemplo:
temperatura, fuerza, presión, y otras magnitudes afines.

En algunos casos: Transductor ⇔ Efecto Reversible

En esta parte se toma en cuenta las fuentes de Interferencia cuyos efectos pueden producirse inadvertidamente en los circuitos. Ejemplos:

• Ruidos (Mecánicos, Magnéticos, Eléctricos, Térmicos, Electrónicos).
• Fuerzas Electromotrices.
• Vibraciones.
• Presencia de Dieléctricos o Potenciales galvánicos.

Sensores de Densidad de Flujo Magnético

En la generalidad se denominan GAUSIMETROS pero como en el Sistema Internacional de medidas, el gauss ha dejado de utilizarse, la expresión de la medición se realiza en Tesla.

Algunas relaciones que se encuentran en la literatura son:

1 gauss: 0.1 mili Tesla
1 gamma: 1 nano Tesla

Los sensores de densidad de flujo magnético más comúnmente utilizados son los dispositivos Hall. El dispositivo esta contenido cerca del extremo de una sonda. La sonda se conecta a un circuito de excitación de acondicionamiento de señal y de visualización. Estas sondas se diseñan para responder a campos axiales y a trasversales.

Fig. 1 Sensor de flujo magnetico

Clasificación de los Sensores de Flujo Magnético
Existen dos tipos de sensores magnéticos: Magneto-resistivos y de Efecto Hall.


Sensores Magnetorresistivos

El efecto magneto-resistivo data de 1856, donde Thomson observó este efecto aunque no se encontró ninguna aplicación práctica. Posteriormente con los semiconductores se empezó a utilizar como detectores de movimiento. La gama de sensores magnetorresistivos de Philips está caracterizada por su alta sensibilidad en la detección de los campos magnéticos, en un amplio rango de temperatura de trabajo, con un ‘offset’ muy bajo y estable, y con una baja sensibilidad a la tensión mecánica. Por lo tanto, son un excelente medio de medida tanto en desplazamiento lineal como en angular, bajo condiciones ambientales extremas en aplicaciones de automoción o maquinaria (ruedas dentadas, varillas de metal, levas, etc.). Otra aplicación de los sensores
magnetorresistivos es la medición de velocidad rotacional.

Un ejemplo donde las propiedades de los sensores magnetorresistivos pueden ser útiles es en las aplicaciones de automoción, tal como detección de velocidad de una rueda para el ABS, en sistemas de control de motores y en detectores de posición para la medición de la posición de un chasis, en la medición de posición de válvulas o de los pedales.

Otro ejemplo, es en la instrumentación y control de equipos, que frecuentemente requieren sensores de posición capaces de detectar desplazamientos en la región de las décimas de milímetro (o a veces menor) y en sistemas de ignición electrónica donde se tiene que poder determinar con gran precisión la posición angular de un motor de combustión. Debido a su alta sensibilidad los sensores magnetorresistivos pueden medir campos magnéticos muy débiles y son ideales para aplicaciones en brújulas electrónicas, corrección del campo de la tierra y detección de tráfico. Los sensores magnetorresistivos (MR) utilizan el efecto magneto-resistivo, que se basa en la propiedad de un material que cambia su resistividad por la presencia de un campo magnético externo.

Sensores de Efecto Hall
El fenómeno Efecto Hall fue descubierto por E.H. may en 1879. Si una corriente fluye en un conductor (o semiconductor) y se le aplica un campo magnético perpendicular a dicha corriente, entonces la combinación de corriente y campo magnético genera un voltaje perpendicular a ambos. Este fenómeno se denomina Efecto Hall. VH es una función de la densidad de corriente, el campo magnético, y la densidad de carga y movilidad portadora del conductor.

Principio de funcionamiento de los sensores de flujo Magnético.


Sensor Magnetorresistivos.

En la fig. 2 se muestra el principio de trabajo básico de un sensor MR, con una tira de material ferromagnético llamado permalloy (20% de Fe, 80% de Ni). Suponiendo que, cuando no está presente un campo magnético externo, el permalloy tiene un vector de magnetización interno paralelo al flujo de la corriente ‘I’ de izquierda a derecha. Si se aplica un campo magnético externo ‘H’ paralelo al plano del permalloy, pero perpendicular al flujo de la corriente ‘I’, el vector de magnetización interno del permalloy rotará alrededor de un ángulo α. Como resultado, la resistencia ‘R’ del ‘permalloy’ cambiará en función del ángulo de rotación α, dado por: R = RO + _RO cos2α

Fig. 2 Principio de trabajo básico de un Sensor Magnetorresistivos

RO y _RO son parámetros del material y para lograr las características óptimas del sensor, Philips utiliza Ni19Fe81, el cual tiene un valor alto de RO y una baja magneto-restricción. Con este material, _RO es del orden del 3%. Es obvio que es una ecuación cuadrática, es decir, que la característica de la resistencia/campo magnético no es lineal, entonces, cada valor de R no está asociado necesariamente con un único valor de H. Básicamente, el efecto MR se puede utilizar para la medición angular y la velocidad rotacional, donde no se requiera la linealización de la característica del sensor.

En la serie de sensores KMZ, hay cuatro tiras de ‘permalloy’ que están ordenadas en forma de laberinto en el silicio. Están conectadas en una configuración en puente de Wheatstone, que tiene las siguientes ventajas: la reducción de la deriva por temperatura, el que se duplica la señal de salida y que el sensor se puede alinear en fábrica. Además se incluyen dos resistencias RT, como se muestra en la figura, que son para ajustar el ‘offset’ del sensor casi a cero durante el proceso de producción, también se muestra la estructura de las cuatro tiras de permalloy.

Fig.3 configuración en puente de Wheatstone y estructura de cuatro tiras de permalloy

En la tabla siguiente se muestran las características de la familia de sensores magnetorresistivos KMZ de Philips, junto con sus aplicaciones típicas.

Sensores de corriente de efecto Hall

Estos sensores se pueden utilizar tanto para corriente alterna como para corriente continua. La corriente ocasiona un campo magnético en el cual se posiciona un dispositivo Hall, un semiconductor de un tipo específicamente seleccionado para este uso en función al factor de Hall del material. Dentro de la sonda se produce un campo eléctrico que se sitúa transversalmente a la corriente de excitación que pasa a través de él y que es transversal con el campo magnético.

La tensión de salida es proporcional al campo magnético, con una corriente de excitación constante.

Fig. 4 Sensor de corriente de efecto hall.

El campo magnético se genera usualmente mediante un núcleo toroidal ferro magnético con entrehierro por el que circula el conductor que transporta la corriente a medir. En el caso de la bobina con n vueltas formada alrededor del entrehierro vale entonces:

Bm= Im . n. m0

Siendo Im la corriente a ser determinada.
Así, nos queda la siguiente ecuación de la tensión de Hall:
UH= - (I. Im. n. m0) / (e. n. d)

Siendo datos conocidos entonces:
● La tensión UH,
● La corriente de excitación de la sonda Hall I,
● El factor de Hall del material y,
● La permeabilidad magnética del núcleo de la bobina de medición, Se obtiene el valor de la corriente a medir.

Si la corriente de excitación de la sonda Hall es del tipo continua, la tensión de Hall generada tendrá la misma forma de onda que la corriente a medir, incluso hasta frecuencias de 1 Mhz se obtiene buena reproducción de transitorios.

La corriente de excitación debe estar cuidadosamente controlada para garantizar el mínimo nivel de error en las mediciones.

Si la corriente de excitación de la sonda Hall es del tipo continua, la tensión de Hall generada tendrá la misma forma de onda que la corriente a medir, incluso hasta frecuencias de 1 Mhz se obtiene buena reproducción de transitorios. La corriente de excitación debe estar cuidadosamente controlada para garantizar el mínimo nivel de error en las mediciones.

Aplicación en la Industria de los Sensores de Flujo Magnético.

Aplicación del Sensor Magnetorresistivo.

• Brújula Electrónica
  
  La brújula electrónica es una aplicación típica de la medición de campos débiles, con dos sensores magnetorresistivos alineados en un mismo plano, pero a 90º el uno del otro. Esto configura una brújula bidimensional, con los sensores midiendo las componentes X e Y del campo medido (terrestre).

Fig.5 Brujula electronica

• Brújula Simple de 8 Segmentos.
  La función principal de una aplicación de una simple brújula, es indicar puramente en la dirección (N, NE E, SO, etc.). Esta función básica se encuentra típicamente en ayuda a la navegación, por ejemplo, en conductores de coches que requieren solamente unas indicaciones de su orientación y no una exacta indicación de su dirección.
  Para esta simple aplicación, solo es necesario mostrar las ocho direcciones. En este caso, las dos señales de salida se pueden comparar unas con otras para lograr tres señales digitales. Estas dan las informaciones básicas de N, S, E y O, mientras que otra señal del sensor invertida, determina si la señal del sensor está cambiando positiva o negativamente y se incluye en la comparación, para distinguir entre las ocho posiciones de la brújula. Se pueden utilizar simples comparadores para obtener tres señales digitales, que controlan una unidad de ‘display’ a través de un multiplexor.

fig.6 señales digitales de la brujula de ocho segmento

• Detección de Tráfico
  Como que el número de vehículos utilizando vías ya congestionadas aumenta constantemente, los sistemas de control de tráfico se están convirtiendo en más necesarios para evitar atascos. Estos sistemas monitorizan el flujo de tráfico, el promedio de velocidad y la densidad, permitiendo que signos indicadores de camino controlen el flujo y la velocidad del tráfico.


• Medición Angular
  El principio de la medición angular con un sensor magneto-resistivo es esencialmente simple; como se explicó anteriormente el efecto magnetorresistivo es de naturaleza angular. La resistencia de las tiras de ‘permalloy’ depende del ángulo _ entre el vector de magnetización interno de la tira de ‘permalloy’ y la dirección de la corriente a través de éste.
  
• Otras aplicaciones para los sensores magnetorresistivos de son la medición de corriente eléctrica. El principio de medición de la corriente con un sensor magneto-resistivo es directo. Si una corriente, ‘i’, que fluye a través de un hilo, genera un campo magnético alrededor del mismo que es directamente proporcional a la corriente. Midiendo la intensidad de este campo magnético con un sensor magneto-resistivo, se puede determinar exactamente la corriente. La relación entre la intensidad del campo magnético ’H’, la corriente ‘i’ y la distancia ‘d’ viene dado por:

Fig.7 campo magnetico producido por una corriente a traves de un hilo

La tabla anterior indica claramente que la medición de corriente puede involucrar medición de campos magnéticos débiles o fuertes. Como que la sensibilidad de los sensores magneto-resistivos se pueden ajustar fácilmente, utilizando diferentes configuraciones y diferentes electrónicas, un sensor individual se puede optimizar para una aplicación de medición de corriente específica, una clara ventaja sobre los sensores de efecto de Hall. La precisión alcanzable en la medición de corriente utilizando sensores magneto-resistivos es altamente dependiente de la configuración de la aplicación específica. Los factores que afectan a la precisión son las tolerancias mecánicas (tales como la distancia entre el sensor y el hilo), la deriva de la temperatura y la sensibilidad de la electrónica acondicionadora. Sin embargo, con los sensores magnetorresistivos se acercan a precisiones del 1%.

Hay una diferencia general en la configuración utilizada cuando se usan sensores MR para medida de corriente alterna o continua, debida a los efectos perturbadores tales como el campo geomagnético de la Tierra. Para corrientes alternas, los campos perturbadores se pueden eliminar utilizando técnicas de filtrado, mientras que para corrientes continuas, se tienen que utilizar técnicas de compensación (utilizando por ejemplo dos sensores).

Aplicaciones del Sensor de Efecto Hall

El efecto Hall se usa para hacer sensores de movimiento, particularmente en aplicaciones de posición y movimiento, lineal o rotatorio. Analog Devices ha integrado en un solo dispositivo el sensor y la circuitería de acondicionamiento para minimizar las derivas debidas a la temperatura asociadas a las características de la célula de silicio.

Otras Aplicaciones: Aceleración / Desaceleración (Air Bag), Velocidad / Cambio de velocidad, Choques / Vibraciones, Detección prematura de fallos en un equipo en rotación, Detección y medida de manipulaciones, Actividad sísmica.

Fig 8 Aplicacion del sensor de efecto hall

Sensores electrónicos y acondicionamiento de señal.

No se puede hablar de los sensores, como componentes electrónicos básicos, sin ver como se pueden adaptar a un sistema de adquisición y control. Por lo que se tendrán que ver las nuevas tecnologías de adaptación de estos sensores que como parte de una cadena de dispositivos, forman un sistema.

Estos adaptadores, como acondicionadores de señal, son los amplificadores operacionales en sus diferentes estructuras de montaje, pasando por filtros o por procesadores analógicos, convirtiendo estas señales de analógico a digital para posteriormente ser procesados los datos con un DSP o Micro controlador y actuando por medio de las salidas lógicas del procesador o por medio de un convertidor digital a analógico.

Fig.9 Acondicionamiento de sensores electronicos

ACONDICIONADORES DE SEÑALES.

Los acondicionadores de señal, como dice su palabra prepara la señal que vamos a procesar antes de entrarla a un convertidor A/D, a un microprocesador o DSP. La alta integración de los circuitos está desplazando los montajes con muchos componentes a diminutas placas con mayor precisión en el proceso analógico, empezando por el uso de amplificadores operacionales integrando varios de ellos en uno sólo, como los amplificadores de instrumentación.

Fig.10 Acondicionador de una señal a la entrada de un convertidor A/D

Ejemplo Practico Industrial.

El sistema de medición de flujo magnético en las unidades generadoras de casa de maquinas II de la represa de guri

La empresa canadiense Vibrosystem instaló un sistema de supervisión y monitoreo de las vibraciones y entrehierro de las unidades generadoras de casa de maquinas II en la represa de guri y además de los sensores de vibraciones y entrehierro se instaló un sensor de flujo magnético MFP-100 con un margen de medida de 0 a 1.5 tesla a 60hz, una sensibilidad de +-5% variación de campo, temperatura de operación de 0 a 125 °C.

Fig.11 Sistema de medicion de densidad de flujo magnetico MFM-100

La medición de flujo magnético MFM es un sistema de monitoreo y diagnostico en línea del campo magnético del generador cuando es emanado desde los polos del rotor; está diseñado para detectar el desbalance de campo que contribuye a la vibración de la maquina, sobrecalentamiento, espiras del estator abiertas, tensión excesiva sobre el rotor y estator y sus componentes.

La señal medida es transmitida hacia un acondicionador de señal MFC-100 que provee una tensión de 0 a 10 v de salida analógica, temperatura de operación de 0 a 55 °C. extensión de cable axial de 10 m El sensor MFP-100 se instaló pegado en el estator cercano al sensor entrehierro V.M 5 como se muestra en la figura.12

Fig.12 Acondicionador de señal MFC-100

Para un efectivo análisis de la medición del flujo magnético se combina el sensor MFM y el sensor entrehierro V.M 5 por intermedio de el sistema ZOOM de la empresa Vibrosystem el cual analiza los dos sensores permitiendo la correlación del flujo magnético y entrehierro en cada polo. En la casa de maquina II las unidades generadoras cuentan con 64 polos, se colocaron 16 sensores entrehierro (8 superiores y 8 inferiores) y un sensor de flujo magnético en la unidad 15. El sistema ZOOM determina el desbalance del campo magnético causado por una falla eléctrica, por un polo en cortocircuito, por polos abiertos, señal del entrehierro.

Fig.13 Representacion del sistema de monitoreo y diagnostico ZOOM, ubicacion de sensores y acondicionadores de la unidad generadora.

Fig.14 Instalacion del sensor de flujo magnetico MFM-100y sensor de entrehierro VM 5.0 sobre el estator entre dos polos del rotor.

Fig.15 El sistema ZOOM presenta la relación entre flujo magnético (grafica superior) y entrehierro (grafica inferior) indica cuando el sensor de flujo magnético detecta 0.04 tesla el sensor entrehierro VM.5 presenta 0.9 mm.

SENSORES DE NIVEL CAPACITIVO

Definición de un Sensor.

Un sensor es un dispositivo que detecta, o sensa manifestaciones de cualidades o fenómenos físicos, como la energía, velocidad, aceleración, tamaño, cantidad, etc. Podemos decir también que es un dispositivo que aprovecha una de sus propiedades con el fin de adaptar la señal que mide para que la pueda interpretar otro elemento.

Como por ejemplo: el termómetro de mercurio que aprovecha la propiedad que posee el mercurio de dilatarse o contraerse por la acción de la temperatura. Muchos de los sensores son eléctricos o electrónicos, aunque existen otros tipos.

Es un tipo de transductor que transforma la magnitud que se quiere medir, en otra, que facilita su medida. Pueden ser de indicación directa (e.g. 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 sensados puedan ser leídos por un humano.

Los sensores capacitivos funcionan de manera similar a un capacitor simple, es decir; son dispositivos que almacenan carga. Los capacitores se utilizan en una variedad muy amplia de circuitos eléctricos y electrónicos. Un capacitor se compone de dos conductores separados por un aislador. La capacitancia de un dispositivo dado depende de su geometría y del material que separa a los conductores cargados, llamado dieléctrico. En la figura 1 se muestra un capacitor de placas paralelas con su dieléctrico.

Fig. 1

La capacitancia, C, de un capacitor se define como la razón entre la magnitud de la carga en cualquiera de los conductores y la magnitud de la diferencia de potencial entre ellos. De lo anterior se deduce la ecuación (1) C= Q/V (1) donde: C=capacitancia Q=carga V=diferencia de potencial La capacitancia siempre es una cantidad positiva.

Además, puesto que la diferencia de potencial aumenta a medida que la carga almacenada se incrementa, la proporción Q/V es constante para un capacitor dado. En consecuencia, la capacitancia de un dispositivo es una medida de su capacidad para almacenar carga y energía potencial eléctrica.

De la ecuación (2) vemos que la capacitancia tiene la unidad del SI coulomb por volt.
La unidad de capacitancia del SI es el farad (F), en honor a Machael Faraday. 1F=1C/1V (2)

Un sensor capacitivo es adecuado para el caso de querer detectar un objeto no metálico. Para objetos metálicos es más adecuado escoger un sensor inductivo. Para distancias superiores a los 40 mm es totalmente inadecuado el uso de este tipo de sensores, siendo preferible una detección con sensores ópticos o de barrera.

Principio de Funcionamiento de sensores capacitivos

El Condensador forma parte del lazo de realimentación de un oscilador de alta frecuencia, sin objetivo la capacitancia es baja y produciendo una señal de muy baja frecuencia y poca amplitud.
Por otra parte 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.

Figura 2 Principio de funcionamiento

Tipos de Sensores Capacitivos

Condensador diferencial

La ventaja de los condensadores diferenciales está en que proveen una salida lineal y permiten la medida tan pequeña como 10-13 mm a 10 mm, y capacidades desde 1 pF a 100 pF. Consiste en un principio similar al de los sensores resistivos diferenciales: mientras uno se incrementa el otro disminuye en la misma proporción, y viceversa. En el caso de que se quiera medir desplazamientos o distancia una configuración típica es:

Figura 3 Condensador Diferencial

en este caso

Finalmente;





Lo que es lineal.

En el caso de lo que se quiera es variar el área con una medida lineal se tiene:

Figura.4

por lo que;

Construcción de un Sensor Capacitivo

Figura5.

Potenciómetro: La sensibilidad (distancia de detección) de la mayoría de los sensores capacitivos puede ajustarse por medio de un potenciómetro (resistencia variable). 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).

Oscilador: La amplitud de oscilación varía al aproximarse un objeto.

Circuito 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.

Circuito Disparador: Este circuito (trigger) compara la señal que le proporcional el rectificador con una señal umbral que cambia ligeramente dependiendo del estado de activación creando así la histéresis del sensor de proximidad. Etapa de Salida: Acondiciona la señal proporcionada por el circuito comparador a los valores de tensión y corriente normalizados, activando o desactivando la salida según corresponda.

Sistema de acondicionamiento

Los sensores capacitivos presentan una situación particular que deben ser alimentados con una señal alterna de excitación. Como se prefiere una capacidad sensora menor a 100 pF, la frecuencia oscilará entre 10 kHz y 100 MHz. Los circuitos de acondicionamiento dependerán de si el sensor es simple o diferencial.

Para el caso de condensador simple se tiene un circuito linealizador

Figura 6 Circuito Linealizador

Este circuito es excitado a corriente constante, por lo que:

Divisor de Tensión.

El divisor de tensión es un circuito simple que también se aplica para estos sensores.

Figura 7 Circuito divisor de tension

Ahora,

Para eliminar la tensión fija que aparece en un divisor de tensión se prefiere utilizar un puente de sensores.

Figura 8

Resolviendo nos queda:

Aplicaciones Industrial de los Sensores Capacitivos

1. Medición de Nivel en liquido Censado a través de paredes de cristal tales como: nivel de aceite o de agua.



2. Detección de productos en líneas de producción: Nivel en cajas de cereal, harina, azúcar, leche en polvo entre otros.



3. Detección de partes plásticas.




4. Detección de paletas para el manejo de material.



5. Conteo de piezas metálicas y no metálicas, entre otros.



6. Irregularidades en materiales.
   


7. Orientación de materiales en bandas transportadora, grandes irregularidades en la textura.

fig.9

Problemas Practico Industrial Para mantener una pieza centrada entre dos superficies paralelas, un determinado servosistema emplea un sensor capacitivo diferencial conectado al acondicionador de señal de la figura 10.

La pieza metálica está puesta a masa y cuando se aparta de un electrodo se acerca al otro una distancia igual. ¿Qué relaciones deben cumplir los componentes pasivos del circuito para que la tensión de salida dependa de la posición de la pieza central pero sea independiente de la frecuencia de la tensión aplicada al sensor.

Figura 11 Sensor capacitivo diferencial conectado a un amplificador de alterna diferencial

El condensador diferencial constituye un divisor de tensión del que se mide la diferencia entre la tensión que hay entre el terminal superior y masa, y entre el terminal inferior y masa. Las tensiones e impedancias equivalentes de Thévenin respectivas son:

Cada amplificador de entrada se comporta como un amplificador inversor. Para que su salida no dependa de la frecuencia, según pide el enunciado, es necesario que R1 y R2 sean mucho mayores que la impedancia de C1 y C2 a la frecuencia de trabajo. En este caso, si se considera que Ad a la frecuencia de trabajo es suficientemente grande, tendremos

Si se desprecian los efectos de bordes, el valor respectivo de los dos elementos del condensador diferencial formado por dos condensadores de placas paralelas con área A es

La tension de salida será:

Esta tensión es independiente de la frecuencia, pero depende del desplazamiento de la pieza móvil de forma no lineal.

Conclusión

Sin importar el tipo de sensor, la parte fundamental para su selección es atender minuciosamente a la aplicación, ya que de ésta depende en gran medida su correcta selección.
El medio ambiente es otra variable importante, ya que puede entorpecer en cierto rango el
medio de sensado, además de los problemas de operación del mismo. Es importante atender
las recomendaciones de uso y aplicación del fabricante, en particular por el hecho de que algunos sensores son de precio elevado y un error en su instalación o manejo puede ocasionar una inversión adicional al volverlos a comprar.

Osnaiber D 'imperio

Nelson Cordero