Sensores de reactancia variable

Sensores de reactancia variable

 

Los sensores de reactancia variable tienen las siguientes ventajas con respecto a los resistivos:

a. Efecto de carga mínimo o nulo.

b. Ideales para la medida de desplazamientos lineales y angulares y para la medida de humedad.

c. La no-linealidad intrínseca puede superarse usando sensores diferenciales.

Como limitación tiene que la máxima frecuencia de variación admisible en la variable medida debe ser menor a la frecuencia de la tensión de alimentación empleada.

En este apartado veremos los sensores capacitivos e inductivos.

 

Sensores Capacitivos

 

Los sensores de este tipo pueden ser simples (Co +/- C) y diferenciales                       (Co + C, Co – C).

 

El caso simple es el condensador variable.

 

2.1.1. Condensador variable

 

Un condensador esta formado por dos placas y un dieléctrico.

Donde,

Pero la capacidad C es función de la geometría del conductor, el material del dieléctrico.

 

Por ejemplo, para un condensador de placas planas y paralelas se tiene:

Donde ε0 = 8.85 pF/m y εr = ε / ε0

ε es la constante dieléctrica del material y ε0 es la constante dieléctrica del vacío

 

Por tanto, con variar la geometría o el dieléctrico se puede usar para medir un fenómeno físico.

Los problemas que presenta este tipo de medidor es que.

a. No se puede despreciar el efecto de los bordes.

b. El aislamiento entre placas debe ser alto y constante.

c. Existen muchas interferencias capacitivas.

d. Los cables de conexión generan condensadores parásitos.

 

El efecto de bordes es importante ya que en la ecuación de C se indica que esta está afectada por la distancia entre las placas. Realmente está afectada por la distancia que recorren los electrones desde una placa a la otra. Esto es asumiendo que se desplazan perpendicularmente sobre las placas. Pero en la práctica no es así, y ocurre que en los bordes el desplazamiento es angular, recorriendo una distancia mayor. Esto genera un error.

 

Esto se corrige utilizando guardas. La guarda consiste en rodear un o de los electrodos con un anillo puesto al mismo potencial del mismo electrodo. Veamos la figura representativa del fenómeno.

 

Las interferencias capacitivas consiste en que entre cada conductor existen condensadores parásitos. Una solución en este caso es apantallar el cable para llevar todos los posibles contactos a tierra.

 

Otro problema mencionado son los cables de conexión. Al apantallar el cable para reducir las interferencias capacitivas, se introduce un nuevo error, si el cable es largo:; Es la aparición de capacidades en paralelo a lo largo del cable.

 

La linealidad es otro elemento a destacar ya que según sea el parámetro que se tome, podremos obtener una salida directamente proporcional o inversamente proporcional, y por tanto no lineal. Si lo que varía es la distancia d y se mide la admitancia (proporcional a C), la medida sería no lineal. Pero si se mide la impedancia, la medida seria lineal.

 

El uso de sensores diferenciales permitirá superar esta dificultad.

 

Otro problema importante es la alta impedancia de salida de este tipo de sensores, determinada por el dieléctrico no conductor utilizado.

 

Para resolver en este caso existen tres alternativas:

a. Colocar la electrónica de acondicionamiento.

b. Usar un transformador de impedancia.

c. Medir la intensidad de corriente en vez de la tensión.

 

Es indudable que estos sensores tienen ventajas con respecto a sus homólogos resistivos.

 

Algunas de ellas son:

a. Como sensor de desplazamiento tienen un error por carga mecánica casi nulo: sin fricciones, ni histéresis. La fuerza para mover el elemento móvil en un condensador plano es:

 

Para valores reales, la fuerza necesaria para producir un desplazamiento es casi despreciable.

b. Estos sensores tienen una estabilidad y reproducibilidad elevadas. C no depende de la conductividad de las placas y por tanto tampoco de la temperatura.

c. Se puede obtener una alta resolución, al variar bastante la capacidad. Se puede detectar hasta 10 pm de distancia.

 

Estos sensores se suelen aplicar para medir desplazamientos. Si el desplazamiento es grande o pequeño, se prefiere utilizar d variable. Si el desplazamiento es intermedio (1-10cm), se prefiere variar el área de acción entre las placas.

 

Normalmente la capacidad en estos sensores varía de 500 pF a 1 pF, y se trabaja con frecuencias de 10 kHz para que la impedancia sea pequeña.

 

Algunas aplicaciones de los sensores son.

a. Medida de desplazamientos lineales y angulares.

b. Detector de proximidad.

c. Cualquier otra magnitud que se pueda convertir en desplazamiento.

d. Medidas de nivel de líquido conductor y no conductor.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A continuación algunos ejemplos

 

 

Ejemplo de galga extensométrica capacitiva

.

 

Ejemplo de medidores de nivel.

 

El caso a es para la medida de sólido o líquido conductor, y su ecuación de modelo es:

 

 

 

 

El caso b es para líquidos muy conductores, como el mercurio. En este caso:

 

El caso c es para líquidos no conductores, y su ecuación es:

 

2.1.2. 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:

 

En este caso.

 

Por lo que,

 

Finalmente:

LO QUE ES LINEAL.

 

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

Por lo que,

 

 

 

 

Si lo que se requiere es medir un desplazamiento angular, el circuito será:

 

 

El circuito se monta en un puente de la forma.

 

Ahora,

Si:

Entonces,

2.1.3. Acondicionamiento de sensores capacitivos

 

Los sensores capacitivos presentan una situación particular que deben ser alimentados con una señal alterna de excitación. Como se prefiere una capacidad censora 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.

 

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.

Ahora

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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

Si ahora se tiene el caso del condensador diferencial veamos que se tiene. SI se utiliza un divisor de tensión

 

 

 

 

 

 

Entonces:

Lo cual tiene un componente común.

 

2.2. Sensores inductivos

 

Los sensores inductivos son aquellos que producen una modificación de la inductancia o inductancia mutua por variaciones en un campo magnético. Esta variaciones pueden ser fruto de perturbaciones en el campo, o modificación de la distancia de influencia del campo. Solo hablaremos de dos tipos: la reluctancia variable y la inductancia mutua.

 

2.2.1. Reluctancia variable

 

Este tipo de sensor se basa en la ley.

Donde φ es el flujo de campo magnético, I es la corriente y N es el número de vueltas del inductor.

 

Pero el flujo magnético es igual al cociente entre la fuerza magnetomotriz M y la reluctancia magnética R, y además,  M = NI, por lo que

Para una bobina de longitud L y sección de área A, donde la longitud sea mucho mayor que el diámetro de las espiras se tiene:

Donde

μr es la permeabilidad relativa del núcleo

L = recorrido de las líneas de campo en el aire.

A = Área de las bobinas.

 

Normalmente se aprovechan las variaciones de la longitud y de la permeabilidad.

Cuando lo que varía es la distancia L se está hablando de sensores de entrehierro variable, y cuando lo que varia es la permeabilidad se dice que se está hablando de sensores de núcleo móvil.

 

Esto sensores tiene los siguientes problemas:

a. Los campos magnéticos parásitos afectan a L, por lo que se deben apantallar.

b. La relación L y R no es constante y varía hacia los extremos.

c. L y R son inversamente proporcionales, por lo que las medidas serán normalmente no lineales.

d. La temperatura de trabajo debe ser menor a la de Curie del material usado.

Por contra tienen las siguientes ventajas:

a. La humedad los afecta muy poco.

b. Tiene poca carga mecánica.

c. Y una alta sensibilidad.

Algunas configuraciones típicas se muestran a continuación:                                                                                                     

Normalmente 0 < L < 100 mH y se utilizan en la medida de desplazamiento y proximidad.

 

2.2.2. Inductancia mutua (LVDT)

 

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 repetitividad.

g. Alta linealidad.

 

Tiene alcances desde 100 micrómetros hasta 25 centímetros.

Cuando estos dispositivos tienen la electrónica DC se denominan LVDT de continua (DCLVDT).

 

Si la medida es angular se denominan RVDT.

 

Algunas aplicaciones se muestran a continuación.

 

 

 

2.2.3. Acondicionamiento de sensores inductivos

 

Para el acondicionamiento de los sensores inductivos se suele utilizar los divisores de tensión y puentes de alternas vistos para los sensores capacitivos.

 

Para el LVDT habrá que utilizar un amplificador de portadora y detección coherente.

 

Como su salida es de suficiente amplitud no suelen requerir de amplificación. Una alternativa es usar rectificadores de media onda u onda competa, y restar el resultado.

 

3. Sensores Electromagnéticos.

 

3.1. Basados en ley de Faraday

 

Se basa en el principio de que una variación en el flujo magnético sobre una bobina, genera una 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.

 

 

 

3.2. De efecto Hall

 

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, etc.

 

 

 

1 comentario

  1. SEGUNDA TAREA DE MEDICIONES « Gabriela/Mediciones said,

    […] Junio 2, 2008 at 11:29 pm (Tarea 2) Sensores Moduladores […]

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