tarea 4

julio 29, 2008 at 1:10 am (Uncategorized)

1.  Codificadores de posición: incrementales y absolutos.

1.1.      Construcción de codificadores.

1.2.      Sistemas de acondicionamiento codificadores.

 

2.  Sensores autorresonantes: resonadores de cuarzo, caudalímetro de vórtice.

2.1. Construcción de sensores autorresonantes

2.2. Sistemas de acondicionamiento

 

3.  Otros métodos de detección.

a.  Basado en uniones semiconductoras. Construcción y circuitos de acondicionamiento.

b.  Basados en ultrasonidos. Construcción y circuito de acondicionamiento

c.   Basado en fibras ópticas. Construcción y circuito de acondicionamiento.

 

 

CODIFICADOR INCREMENTAL

Transductores de posición

Los transductores de posición son dispositivos que convierten una magnitud física de posición en otra magnitud que generalmente es una señal eléctrica. Se pueden clasificar en dos grupos principales: Analógicos y Digitales.

Dentro de los analógicos se encuentran los potenciométricos, los síncronos, los resolver, los inductosyn y los microsyn.1

Los transductores de posición digitales o numéricos convierten posiciones angulares y desplazamientos lineales en una representación numérica; éstos se subdividen en dos clases:

a)   Transductores de posición numéricos del tipo absoluto llamados codificadores absolutos. En ellos está codificado (en código Gray, BCD o binario) cada uno de los incrementos de posición, a partir de una referencia que es cero, de modo que la posición puede ser determinada directamente.

     b) Transductores de posición numéricos del tipo incremental,      llamados codificadores incrementales y son el objetivo de estudio de esta práctica. En estos no se tiene una referencia para todos los puntos, sino que cada posición constituye un origen para el siguiente punto.

El principio de funcionamiento de los codificadores incrementales se basa en proporcionar en su salida una serie de pulsos, donde cada pulso corresponde a un desplazamiento mecánico, que puede ser de un disco o una varilla, para desplazamientos angulares o lineales respectivamente

Tanto el disco como la varilla están divididos en sectores equidistantes y girando (o desplazándose) delante de un dispositivo de lectura fijo produce una señal eléctrica en correspondencia con cada sector.. Los codificadores incrementales se acoplan a un contador para obtener una señal proporcional a la posición registrada, de esta forma la señal puede expresarse en forma digital siendo los pulsos de salida de forma cuadrada. Sin embargo, no se logra lo anterior con el dispositivo de lectura por lo que se tiene que incluir un cuadrado de señal después del de lectura.

Los codificadores incrementales más usados utilizan dispositivos de lectura fotoeléctricos. En este caso el disco (o la varilla) está constituido por sectores opacos que se alternan con sectores transparentes.

El dispositivo de lectura está compuesto por un par emisor de luz – detector de luz 

Cuando un sector transparente se intercala entre la fuente luminosa y el detector de luz, la señal que se obtiene a la salida del detector es máxima, contrariamente, cuando se interpone un sector opaco la salida es mínima.

En las posiciones intermedias se obtienen valores de iluminación del detector también intermedio, por lo que la onda de salida es senoidal.

Para obtener una señal numérica, del tipo 1/0 a partir de la señal senoidal se utiliza un circuito cuadrado que proporcione una salida numérica de 1 cuando se pase por un sector transparente, y un 0 cuando pase por un sector opaco.

El sistema de lectura del codificador utilizado en la práctica consta de dos discos, uno fijo y el otro móvil, y tres emisores-detectores, esto con el fin de poder tener mayor discriminación de los sectores transparentes y opacos.

Codificadores Absolutos

Los codificadores absolutos entregan una salida codificada que indica la posición del elemento móvil con respecto a una referencia. El elemento móvil cuenta con zonas que permiten distinguir y asignárseles valores de uno o cero.

 Los sensores más utilizados en este caso son los ópticos, con zonas opacas y transparentes y en menor medida, los de contacto, con zonas conductoras y aislantes.

La principal diferencia con los codificadores incrementales es que cuenta con varias pistas con zonas diferenciadas y agrupadas, de tal forma que el sistema de lectura obtiene directamente, en cada posición del elemento móvil, el número codificado que da su posición. Cada pista representa un bit de la salida, siendo la pista más interior la correspondiente al bit de mayor resolución.

 

Los codificadores absolutos ópticos funcionan con un concepto similar al de los tipos incrementales, sólo que poseen un disco con un dibujo complejo, distribuido en anillos concéntricos que representan los bits de una palabra binaria. Deben tener un detector óptico por cada uno de estos anillos. Por ejemplo un disco con 8 anillos (como el de la figura), tendrá una resolución de 8 bits, o sea que podrá dividir su circunferencia en 256 porciones (más de 1 grado, si hablamos de ángulo). Un disco con más anillos concéntricos ofrecerá más bits de resolución y dará un dato de posición angular más preciso.

 

Sensores autorresonantes

Las aplicaciones de la electrónica, presentes actualmente en innumerables aspectos de nuestra vida cotidiana, no serían posibles sin los sensores. Sin la capacidad que éstos ofrecen de medir las magnitudes físicas para su conocimiento o control, muchos de los dispositivos electrónicos no serían más que posibles curiosidades de laboratorio.
La utilización de sensores es indispensable en la automatización de industrias de proceso y manufacturados, incluida la robótica, en ingeniería experimental, en sectores no productivos como son el ahorro energético y el control ambiental (aire, ruido, calidad del agua), en automóviles y electrodomésticos, en la agricultura y medicina, incorporan internamente para su funcionamiento correcto varios sensores. Piénsese, por ejemplo, en el control de la posición de las cabezas de lectura en discos magnéticos.

 

El principio de funcionamiento de los sensores autorresonantes se basa en un fenómeno físico resonante ofrecen una frecuencia de salida que depende de una magnitud de interés que afecta a la frecuencia de oscilación. Todos requieren un frecuencímetro-contador para medir bien la frecuencia o bien el periodo de oscilación- La elección de uno u otro método depende de la resolución deseada y del tiempo disponible para la medida. Las estructuras resonantes basadas en mono cristales de silicio se prestan bien a la realización de circuitos integrados.
En sensores se emplean tanto osciladores armónicos como de relajación. En los primeros hay una energía almacenada que cambia de una u otra forma de almacenamiento, por ejemplo de energía cinética en el movimiento de una masa a energía potencial en la tensión de un muelle. En los segundos hay una única forma de almacenamiento, y la energía almacenada se disipa periódicamente mediante algún mecanismo de puesta a cero.

Sensores Resonadores de Cuarzo


Estos sensores están basados en una frecuencia de oscilación alta, se basan en la variación que sufre ésta ante una deformación del cristal, para un elemento con electrodos metálicos depositados en dos de sus caras, en la figura 4 se muestra el circuito eléctrico equivalente de un sensor de cuarzo resonante. En ésta, Lm viene determinada por la masa del cristal, Cm por la elasticidad mecánica, Rm por la fricción interna (que se traduce en una disipación de calor) y Co es la capacidad del soporte del cristal en paralelo con la de los electrodos metálicos, con el material piezoeléctrico como dieléctrico. La presencia de un circuito resonante permite emplear dicho elemento como base de un oscilador.

 

Dado que el cuarzo es inerte, si se emplea un mono cristal de gran pureza la estabilidad de la resonancia mecánica a largo plazo es muy alta. La estabilidad a corto plazo depende del factor de calidad Q (alta rigidez, poca histéresis) y la inductancia equivalente, que son muy elevados. Una estabilidad a corto piazo elevada permite diseñar sensores de alta resolución, mientras que una gran estabilidad a largo plazo significa que se necesitarán menos re calibraciones.
 

 

Principio de funcionamiento de sensores de cuarzo

En 1880 Jacques y Pierre Curie descubrieron que al aplicar una tensión mecánica sobre la superficie de diferentes cristales, entre ellos el cuarzo, se origina un potencial eléctrico a través del cristal, cuya magnitud es proporcional a la tensión aplicada. Este comportamiento se conoce como el efecto piezoeléctrico, aquellos que cristalizan en grupos espaciales que no tienen un centro de simetría. Un cristal de un material acéntrico posee un eje polar debido a los dipolos asociados a la disposición de los átomos en la red cristalina. La tensión aplicada provoca un desplazamiento de los átomos del cristal y por tanto de los dipolos, generándose una carga eléctrica. El efecto es reversible, es decir, al aplicar una diferencia de potencial a un cristal piezoeléctrico se producen en él tensiones mecánicas que dan lugar al desplazamiento de partículas y a la aparición de ondas acústicas. Este efecto es el principio teórico del funcionamiento de la microbalanza electroquímica de cristal de cuarzo (QCM).

 Un sensor tipo QCM consiste en un disco delgado de cuarzo entre dos electrodos. Dadas las propiedades piezoeléctricas y orientación cristalográfica del cuarzo, mediante la aplicación de un voltaje entre los electrodos se produce una deformación del cristal. El cristal puede ser excitado hasta la resonancia cuando la frecuencia sea tal que el grosor del cristal es un número entero N de veces media longitud de onda. La frecuencia de resonancia del cristal depende de la masa total resonante, cuando se deposita una capa delgada y rígida. La variación de la frecuencia es proporcional a la cantidad de masa añadida y el sensor tipo QCM opera como una balanza sensible. Si la frecuencia de oscilación era fo, el área del cristal A, su densidad p. y la masa depositada Am. El desplazamiento de frecuencia viene dado en primera aproximación por la ecuación de Sauerbrey,

Normalmente, los QCM tienen incorporados un circuito oscilador donde la frecuencia de oscilación va disminuyendo conforme se va acumulando masa sobre la superficie del diseño. Estas microbalanzas tienen la capacidad de dar soluciones a un cierto número de medidas como monitorización del depósito del material sensible, detección de especies, degradación de mezclas complejas, detección cromatográfica de líquidos, y análisis electroquímicos. También ha sido demostrado como los QCM pueden operar en contacto con líquidos.
Kanazawa y Gordon han mostrado que los QCM pueden ser sensibles a la viscosidad y densidad de la solución en contacto. Sin embargo, la medida de la frecuencia de resonancia en si misma no puede distinguir cambios másicos de los cambios en las propiedades de la disolución. Cuando la admitancia se mide en un rango de frecuencias cercanas a la frecuencia de resonancia, los QCMs bien caracterizados pueden diferenciar entre estos mecanismos de carga. 
El sistema formado por el cristal junto con los dos electrodos y el oscilador puede simularse por el circuito equivalente de la figura.

 

 

La curva de impedancia obtenida se ajusta al circuito y los parámetros que se obtienen se usan para calcular valores tales como la frecuencia de resonancia, el factor de calidad Q y la disipación D.

 

3.4 Caudalimetro de Vórtice


El principio del caudalimetro de vértice esta basado en la medición de la frecuencia de generación de vórtices por un obstáculo insertado en el flujo, cuya frecuencia es proporcional a la velocidad media, en un campo dado de número de Reynolds.
Aunque existan muchos dispositivos de este tipo, experiencia con este método de medida de caudal es limitada y este método solamente se puede utilizar con precaución. Por ejemplo, cualquier vibración de la conducción es capaz de alterar la frecuencia medida y por lo tanto debe ser evitada.

 

 

 

 

 

 

Basados en ultrasonidos. Construcción y circuito de acondicionamiento

El ultrasonido se define como ondas de sonido de alta frecuencia que están por encima del rango de percepción humana. El punto más bajo es generalmente 20kHz y el superior ya está en el rango del megahertz. Los seres humanos son capaces de detectar sonidos en el rango de 20Hz a 20kHz. Los instrumentos portátiles que miden la intensidad del ultrasonido transportado en el aire o por medio de una estructura cubren frecuencias desde 20 kHz hasta 100 kHz.

Basado en fibras ópticas.

Los sensores de Fibra Óptica están formados por un amplificador que contiene el del emisor y el receptor, y un cable de fibra óptica que transmite y recibe la luz reflejada por el objeto a detectar.
Las características y presentaciones dependen mucho del fabricante. Así como en las Fotocélulas, la evolución tecnológica no se ha hecho muy patente, en los sensores de Fibra Óptica se ha notado una evolución en los últimos años muy importante.

 

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Tercera Tarea de Mediciones

julio 8, 2008 at 4:49 am (tarea 3)

DEFINICIÓN DE SENSORES GENERADORES
SENSORES TERMOELECTRICOS: TERMOPARES
TIPOS DE TERMOPARES
NORMAS DE APLICACIÓN PRACTICA POR LOS TERMOPARES
EFECTO DE LA TEMPERATURA AMBIENTE EN LA UNIÓN DE REFERENCIA DE LOS TERMOPARES

SENSORES PIEZOELÉCTRICOS

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SEGUNDA TAREA DE MEDICIONES

junio 2, 2008 at 11:29 pm (Tarea 2)

Sensores Moduladores

Sensores Moduladores

Sensores de Reactancia variable

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PRIMERA TAREA DE MEDICIONES

mayo 3, 2008 at 11:22 pm (Tarea1) ()


    Blur – song 2

Descripción de un sistema de medida y control

Identificación del sistema de medida y sus bloques constitutivos

Diagrama de bloques sintético de un sistema de medida

El sensor

Características estáticas de los sistemas de medida

Características dinámicas

Características de entrada

Errores en los sistemas de medida y su análisis

TEORIA DE ERRORES EN LAS MEDICIONES

Forma de expresar los errores

Cifras significativas

Errores de cero, ganancia y de no linealidad

Estimación del Error de una Medida Directa

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