Sensores de reactancia variable
- Sensores capacitivos
Dos placas conductoras paralelas separadas por un dieléctrico, constituyen un capacitor cuya capacitancia está dada por la ec.(3); A es el área de las placas, d la separación de placas y e es una constante que depende del material existente entre las placas (esto asume que la circunferencia de las placas es mucho mayor que la separación entre ellas, de manera que el efecto de borde se puede ignorar).
C = eA / d
Eqn. (3)
Para aire “e” (constante dieléctrica) es aproximadamente 8.9 pF/m. Se puede ver que la capacitancia medida es inversamente proporcional a la distancia entre las placas. Esta característica, permite medir pequeños desplazamientos (de varios um a decenas de um) con alta exactitud. Por otro lado, la instrumentación requerida para medir cambios en la capacitancia es medianamente compleja.
Un sensor capacitivo es adecuado para el caso de querer detectar un objeto no metálico, su descripción se puede explicar con la siguiente imagen:
Los sensores capacitivos funcionan de manera similar a un capacitor simple.
La lámina de metal [1] en el extremo del sensor esta conectado eléctricamente a un oscilador [2], el objeto que se detecta funciona como una segunda lámina. Cuando se aplica energía al sensor el oscilador percibe la capacitancia externa entre el objetivo y la lámina interna, 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 [3] que a su vez cambia el estado del switch [4].
Los sensores capacitivos aunque también detectan materiales conductores, están especialmente indicados para la detección de materiales aislantes, tales como papel, plástico, madera, etc.
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 usada 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 su limite especificado, el oscilador se activa, lo cual dispara el circuito de encendido y apagado.
El grafico anterior muestra como a medida que el objeto a detectar se aproxima al sensor el oscilador tiende a aumentar su frecuencia de oscilación.
Construcción:
Ventajas
· Detectan objetos metálicos y no metálicos, si como líquidos y sólidos.
· Pueden “ver a través” de ciertos materiales”.
· Son de estado solido y tienen una larga vida útil.
· Disponen de muchas configuraciones de montajes.
Desventajas
· Distancia de detección corta (1 pulgada o menos) que varía en función del material detectado.
· Son muy sensibles a factores ambientales: la humedad en climas costeros o lluviosos puede afectar el resultado de la detección.
· No son selectivos con respecto al objeto detectado: es esencial controlar que es lo que se aproxima al sensor.
Aplicaciones:
Detección del 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.
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 uno de los electrodos con un anillo puesto al mismo potencial del mismo electrodo. Veamos la figura representativa del fenómeno.
Veamos un ejemplo de electrodos de guarda:
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.
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. Ejemplo:
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.
Sensores capacitivos diferenciales.
Se puede modificar la distancia entre las placas. Este suele ser el caso más frecuente en sensores mecanizados, ya que la distancia entre placas suele tener un valor del orden de micras, mientras que la longitud y el ancho de estas pueden tener valores de milímetros. Por lo que el sistema es muy sensible a pequeños variaciones de la distancia. La capacidad en este caso se rige por la siguiente ecuación:
Donde se observa que la variación es no lineal, y por lo tanto, precisará de un acondicionamiento posterior. Un ejemplo de este tipo de sensores es el de presión capacitiva, cuyo valor depende de la variación de la posición de una membrana debida a la presión ejercida sobre esta.
Un problema que aparece al hacer uso de una capacidad única, es que la medida es absoluta, y por lo tanto, será necesaria una capacidad de referencia para realizar la medida. Esto suele introducir la necesidad de realizar una calibración previa, con los inconvenientes que esto conlleva.
Por este motivo, suelen realizarse medidas con una capacidad diferencial. Con ello se evita la necesidad de utilizar una capacidad de referencia, ya que esta se incluye dentro del propio sensor.
fig. 1
En este caso, el sistema se compone de dos capacidades, cuya distancia varía de forma inversa. La ecuación que describe ambas capacidades es:
Donde CS es el valor de la capacidad superior según la figura mostrado (fig. 1) y CI el de la inferior. En ambos casos la función es no-lineal. Si se calcula la diferencia entre ambas se obtiene el siguiente resultado:
Se observa que la respuesta sigue siendo no-lineal, aunque si x es mucho menor que d, se puede considerar que el sistema es lineal, y proporcional a la capacidad en equilibrio (x = 0). Sin embargo, es posible también linealizar el sistema, analizando la siguiente relación entre capacidades:
Como se observa en este caso, la medida es lineal respecto a la variación de la distancia x. Y la constante de proporcionalidad es la inversa del valor máximo que se puede desplazar el electrodo móvil antes de tocar con cualquiera de los otros dos (d).
En el caso de que lo que se quiera es variar el área con una medida lineal se tiene:
Por lo que:
Puente de un sensor capacitivo
Si
entonces:
Acondicionamiento de la señal
Cuando se habla de acondicionado de señal, se considera generalmente el proceso que se realiza con un sistema ajeno al sistema de medida, y que permite corregir errores en la medida.
En nuestro caso consideramos el acondicionado de señal asociado a la interfaz que hay con el sensor. Este realiza un procesado de la señal, y una conversión de la magnitud del sensor. A partir de la salida de la interfaz es posible hacer un nuevo procesado de señal para corregir otros efectos, pero esto queda fuera del marco presente.
En general se pueden considerar tres posibles métodos de tratamiento de la señal de un sensor: bucle abierto, bucle corregido y bucle cerrado.
Bucle abierto
La medida en bucle abierto es aquella en la cual la salida no modifica el comportamiento del sistema de medida. Este tipo de medida es el más común, y en el se realiza una lectura directa de la propiedad que varía con la magnitud a medir. Casos típicos son la lectura directa de un sensor resistivo (termoresistencia), capacitivo (sensor de humedad) o inductivo (detector de metales).
En este caso, la salida es función únicamente de la magnitud obtenida del sensor. El tratamiento de señal en este caso suele ser la amplificación de la señal y la corrección de las no-linealidades. El aspecto más importante es conseguir una buena linealidad y precisión a la salida de la interfaz.
Bucle corregido.
Cuando el propio acto de medir modifica el estado del sensor, se pueden llegar a obtener diferencias substanciales entre la salida esperada y la salida real. Este hecho puede suceder si se aplica una corriente excesiva a una termoresistencia. En este caso, ésta puede sufrir un autocalentamiento debido a la energía que desprende por efecto Joule. El resultado sería que se mediría un valor de resistencia que no sería coherente con la temperatura del sistema.
En este caso, el circuito de interfaz tiene en cuenta tanto la señal de salida del sensor, como las tensiones y corrientes que se están aplicando para obtenerlas. El modelo que se necesita es más complejo, y por lo tanto puede precisar de muchas más etapas electrónicas. Esto puede llegar a introducir un nivel de ruido incompatible con la débil señal obtenida en el proceso de transducción
Por último indicar que cada corrección es específica para el sensor o sensores para la que fue diseñada. A modo de ejemplo, la compensación para un sensor capacitivo diferencial planoparalelo no es igual que la de uno torsional. En el primer caso es de tipo lineal, y en el segundo incluye funciones logarítmicas.
Por este motivo, es difícil diseñar una interfaz genérica, ya que sería preciso disponer de un procesador de señal analógico programable. Por lo tanto, en muchos casos, es necesario limitar el tipo de sensores que van a trabajar con una determinada interfaz.
Bucle cerrado
Cuando el acto de medir modifica de forma muy acusada la medida, el problema se puede plantear de otra forma. En lugar de medir un sensor, se puede generar una acción que compense la magnitud que se desea medir. Ésta acción será proporcional a la magnitud que se desea medir.
En el caso del acelerómetro que se ha presentado en el apartado II.1.2, se puede obtener la aceleración a partir de la variación de la capacidad. Pero también se puede aplicar una tensión diferente a cada una de las capacidades de forma que compense la aceleración aplicada.
El tratamiento de señal extrae a partir de los datos de la señal que se esta midiendo un parámetro cruzado que se vuelve a introducir en el sistema.
En el caso anterior se convierte una aceleración en una tensión que se vuelve a aplicar al sensor.
Este proceso es más general al ser el propio sensor el que compensa su no-linealidad. Por otro lado, al ser un sistema realimentado, entran en juego otros aspectos, como la estabilidad del sistema, o la tensión necesaria para conseguir que el sensor se mantenga en la posición deseada. Esto obliga a limitar de nuevo las características de los sensores que se utilizarán con la interfaz.
Medida de sensores capacitivos.
. Este tipo de sensores tienen una capacidad muy pequeña, tal como se ha visto anteriormente, y por consiguiente es muy fácil enmascarar su valor con capacidades parásitas.
Existen varios circuitos de acondicionamientos para estos sensores como:
• Amplificador de Carga: Es un sistema de medida en bucle abierto.
• Balance de Cargas: Se basa en un bucle corregido.
• Balance de Fuerzas: El bucle es cerrado
Los tres métodos se basan en circuitos de capacidades conmutadas, ya que son inmunes al efecto de las capacidades parásitas. A continuación se realiza una breve exposición de los tres.
Amplificador de Cargas
Es el método más sencillo para medir un sensor basado en capacidades diferenciales. El modo de funcionamiento es aplicar la misma tensión a las dos capacidades del sensor. Debido a esta tensión, se acumula una cierta carga en cada capacidad. Si se restan las cargas, se obtiene la diferencia de capacidades. A partir de ellas se obtiene la señal de salida. El esquema se muestra en la figura:
Tal como se ha mostrado al estudiar los sensores basados en capacidades diferenciales, tienen el problema intrínseco de la no-linealidad debidas al propio diseño del sensor. Sin embargo, es posible reducir el rango de trabajo del sensor para limitar dicho efecto.
Otro aspecto a tener en cuenta es que esta interfaz es adecuada para sensores macroscópicos, donde la distancia entre las armaduras de un condensador es grande, y el efecto de la fuerza electrostática es muy pequeño.
Sin embargo, en sensores micro mecanizados, las distancias disminuyen, y aparece un efecto de escala, que hace que la fuerza que antes era despreciable, deje de serlo.
Balance de Cargas
El balance de cargas es un sistema basado en un bucle linealizado. Su objetivo consiste en minimizar el efecto introducido por la fuerza electrostática en un sensor micro mecanizado. Para ello, realiza una compensación de las fuerzas introducidas por el sistema de medida. El resultado es que el sensor se comporta como si sólo estuviera sometido a la aceleración que se desea medir.
No es posible realizar una compensación genérica para cualquier tipo de sensor, por lo que es necesario hacer una hipótesis inicial. En este caso, definiremos que el sensor deberá ser de capacidades plano paralelas.
Este tipo de sensor es el más común entre los sensores capacitivos, y por lo tanto, la interfaz seguirá pudiendo trabajar con la mayoría de sensores.
Tal como se ha visto durante el estudio de estos sensores, es posible linealizarlos aplicando la función que se reproduce a continuación:
En este caso, el esquema queda de la siguiente forma:
Al aplicar una tensión proporcional al valor obtenido a partir de la ecuación se corrige también el efecto introducido por las fuerzas electrostáticas. Con lo que el sistema sensor-acondicionador es lineal.
Existen casos donde el sensor se rige por este comportamiento en la región próxima al origen, pero se separa de él a medida que se aproxima a uno de los extremos. Éste es el caso del sensor torsional que se ha visto anteriormente.
Existen dos soluciones posibles, realizar un tratamiento posterior, o bien hacer uso de un bucle cerrado, y compensar este efecto.
Balance de Fuerzas
El último paso es realizar un bucle cerrado. De esta forma se asegura la linealidad del sistema en el rango más amplio. En este caso, el objetivo es compensar el desplazamiento producido por la magnitud a medir por medio de la aplicación de fuerzas electrostáticas.
Como se puede observar, el punto de vista es completamente opuesto al anterior. En lugar de intentar minimizar los efectos de las fuerzas, se hace uso de ellas para linealizar el sistema.
Este método asegura que en el rango de control sensor se encontrará en la misma posición (idealmente la posición de equilibrio), y por lo tanto el proceso de medida cumplirá la relación entre la tensión que se aplica al sensor y la magnitud a medir.
Para poder lograr que el sensor se mantenga siempre en dicha posición es necesario que el efecto de la realimentación sobre el sensor sea superior al de la magnitud a medir. En segundo lugar, es necesario que la frecuencia de trabajo del sistema de interfaz sea muy superior a la del sensor, de forma que realice un sobremuestreo del ancho de banda del sensor.
Nuestro objetivo será realizar una interfaz versátil que pueda actuar tanto como amplificador de carga, balance de carga o balance de fuerza con sensores capacitivos diferenciales, o con la utilización de capacidades de referencia externas.
Sensores inductivos.
Los sensores inductivos son una clase especial de sensores que sirven para detectar materiales metálicos ferrosos. Son de gran utilización en la industria, tanto para aplicaciones de posicionamiento como para detectar la presencia de objetos metálicos en un determinado contexto (control de presencia o de ausencia, detección de paso, de atasco, de posicionamiento, de codificación y de conteo).
Una corriente (i) que circula a través de un hilo conductor, genera un campo magnético que está asociado a ella.
Los sensores de proximidad inductivos contienen un devanado interno. Cuando una corriente circula por el mismo, un campo magnético es generado, que tiene la dirección de las flechas naranjas. Cuando un metal es acercado al campo magnético generado por el sensor de proximidad, éste es detectado.
La bobina del sensor inductivo induce corrientes de Foucault en el material a detectar.
Éstas, a su vez, generan un campo magnético que se opone al de la bobina del sensor, causando una reducción en la inductancia de la misma. Esta reducción en la inductancia de la bobina interna del sensor, trae aparejado una disminución en la impedancia de ésta. La inductancia, es un valor intrínseco de las bobinas, que depende del diámetro de las espiras y el número de ellas. En sistemas de corriente alterna, la reactancia inductiva se opone al cambio del sentido de la corriente y se calcula de la siguiente manera:
Donde:
XL = Reactancia Inductiva medida en Ohms (
)
π = Constante Pi.
f= Frecuencia del sistema medida en Hertz (Hz)
L = Inductancia medida en Henrios (H)
En resumen, el circuito detector reconocerá el cambio en la impedancia de la bobina del sensor (Debido a las corrientes de Foucault inducidas en el objeto a detectar) y enviará una señal al amplificador de salida, el cual cambiará el estado de la misma. Cuando el metal a detectar es removido de la zona de detección, el oscilador podrá generar nuevamente el campo magnético con su amplitud normal. Es en este momento en que el circuito detector nuevamente detecta este cambio de impedancia y envía una señal al amplificador de salida para que sea éste quién, nuevamente, restituya el estado de la salida del sensor.
Si el sensor tiene una configuración “Normal Abierta”, éste activará la salida cuando el metal a detectar ingrese a la zona de detección. Lo opuesto ocurre cuando el sensor tiene una configuración "Normal Cerrada" Estos cambios de estado son evaluados por unidades externas tales como: PLC, Relés, PC, etc.
Consideraciones generales
- La superficie del objeto a detectar no debe ser menor que el diámetro del sensor de proximidad. Si fuera menor que le 50% del diámetro del sensor, la distancia de detección disminuye sustancialmente.
- Debido a las limitaciones de los campos magnéticos, los sensores inductivos tienen una distancia de detección pequeña comparados con otros tipos de sensores. Esta distancia puede variar, en función del tipo de sensor inductivo, desde fracciones de milímetros hasta 40 mm en promedio.
- Para compensar el limitado rango de detección, existe una extensa variedad de formatos de sensores inductivos: Cilíndricos, Chatos, Rectangulares, etc.
- Los sensores inductivos cilíndricos son los más usuales en las aplicaciones presentes en la industria.
- Posibilidad de montar los sensores tanto enrasados como no enrasados.
- Gracias a no poseer partes móviles los sensores de proximidad no sufren en exceso el desgaste.
Reluctancia variable
Este tipo de sensor se basa en la ley.
Donde 
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:
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.
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 repetibilidad.
g. Alta linealidad.
Sensores electromagnéticos.
Los sensores electromagnéticos son aquellos en los que una magnitud física puede producir una alteración de un campo magnético o de un campo eléctrico, sin que se trate de un cambio de inductancia o de capacidad. Se tienen dos tipos:
· Sensores basados en la ley de Faraday: Estos sensores se utilizan en tacogeneradores o tacómetros de AC (generadores de energía eléctrica) para medir la velocidad angular w. La ley de Faraday dice: “En un circuito magnético o bobina con N espiras con un flujo magnético φ=f(t) se induce una tensión:”
· Sensores basados en el efecto de Hall: son empleados en la medida de campos magnéticos (gaussimetros), medida de corriente (amperímetros) y medida de potencias (voltímetros). El voltaje Hall es la diferencia de potencial que se crea en las superficies de una barra conductora, cuando por ésta fluye una corriente y esta sometida a un campo magnético. En la siguiente gráfica se muestra un ejemplo de medición de corriente en donde , Iin crea B, a su vez B crea Vh que es proporcional al Iin (Ibias = constante).
