Introducción a la Tecnología de Control (página 3)

Haz transmitido

En este modo (Figura 5) la fuente de
luz y el
receptor están contenidos en envolventes diferentes. Estas
dos unidades están ubicadas en posición opuesta una
a la otra de manera que la luz de la fuente de luz brilla
directamente sobre el receptor. El objeto debe romper (bloquear)
el haz entre la fuente de luz y el receptor.

Figura 5 Detección de haz
transmitido

Los sensores de haz
transmitido proporcionan las distancias más largas de
detección y el nivel más alto de margen operativo.
Por ejemplo, los sensores de haz transmitido PHOTOSWITCH®
Serie 4000B pueden detectar distancias de hasta 274 m (900
pies).

Los márgenes de las aplicaciones de haz
transmitido en rangos inferiores a 10 m (3,1 pies) pueden ser
superiores a 10000X. Por esta razón, el haz transmitido es
el mejor modo de detección en ambientes industriales muy
polvorientos o sucios.

Otro ejemplo: La Serie 9000 de sensores
fotoeléctricos ofrece un margen de 300X a una distancia de
detección de 3 m (9.8 pies). A esta distancia los sensores
seguirán trabajando, incluso en el caso de que el 99.67 %
del área combinada de la lente de la fuente de luz y el
receptor se halle contaminada.

El "haz efectivo" de un sensor de haz transmitido
es equivalente al diámetro de la lente de la fuente de luz
y el receptor (Figura 6). La detección confiable
tiene lugar cuando la diana es opaca e interrumpe al menos el 50
% del haz eficaz.

Se puede obtener una mejor detección de
objetos de menor tamaño que el haz efectivo reduciendo el
diámetro del haz mediante aberturas ubicadas frente a la
fuente de luz y el receptor (Figura 7).

Figura 7 Haz efectivo con aberturas

Hay aberturas disponibles para la mayoría
de sensores de haz transmitido 42KL, 42KB y 42EF. Algunos
usuarios han creado sus propias aberturas para otras familias de
sensores.

Las aplicaciones más confiables de haz
transmitido tienen un margen muy alto cuando el objeto
está ausente y un margen de cero (o casi cero) cuando el
objeto está presente.

La detección de haz transmitido puede no
ser adecuada para detectar objetos translúcidos o
transparentes. Los niveles de alto margen permiten al sensor "ver
a través" de estas dianas. Aunque generalmente se puede
reducir la sensibilidad del receptor, la detección
retrorreflectiva o difusa puede proporcionar una mejor
solución.

Retrorreflectivo

El modo retrorreflectivo (reflejo) es el modo de
detección más común. Un sensor
retrorreflectivo contiene la fuente de luz y el receptor en un
envolvente. El haz de luz emitido por la fuente de luz es
reflejado por un objeto reflectivo especial y detectado por el
receptor. El objeto se detecta cuando rompe este haz de luz
(Figura 8).

Figura 8 Detección
retrorreflectiva

Para la detección retrorreflectiva se
utilizan reflectores especiales o cintas reflectivas. A
diferencia de los espejos y otras superficies reflectivas planas,
estos objetos reflectivos no necesitan ser perfectamente
perpendiculares al sensor. El mal alineamiento de un reflector o
cinta reflectiva por arriba de 15° generalmente no
significará una reducción del margen del sistema de
sensores (vea la Figura 9).

Figura 9 Materiales
retrorreflectivos

La distancia máxima de detección
del conjunto sensor y reflector disponible dependerá en
parte de la eficacia del
reflector o cinta reflectiva. Estos materiales reflectivos
están clasificados según un índice de
reflexión (refiérase a la Página 1-311).

El reflector redondo PHOTOSWITCH normal de 78 mm
(3 pulgadas) de diámetro (número de catálogo
92-39) se utiliza para determinar la distancia máxima de
detección de la mayoría de los sensores
PHOTOSWITCH.

El reflector 92-39 tiene un indicado de 100. La
cinta reflectiva 92-99 tiene un indicador de 77, lo que significa
que sólo reflejará un 77 % de la luz que un
reflector 92-39.

Los sensores retrorreflectivos son más
sencillos de instalar que los de haz transmitido. Es necesario
únicamente instalar y cablear una carcasa sensora. En
cualquier caso, los márgenes en ausencia de diana son del
orden de 10 a 1000 veces menores que los correspondientes a la
detección por haz transmitido, lo que hace menos deseable
la detección retrorreflectiva en ambientes altamente
contaminados.

Cuando se apliquen sensores retro-reflectivos
normales hay que tener un cuidado especial si los objetos a
detectar son altamente brillantes o reflejantes. Los reflejos
procedentes de la misma diana podrían ser detectados.
Quizás se pueda orientar el sensor y el reflector o la
cinta reflectiva de manera que el objeto brillante refleje la luz
en dirección contraria al receptor. Sin
embargo, en la mayoría de aplicaciones con objetos
brillantes, la detección polarizada
retrorreflectiva ofrece una mejor solución.

Los sensores polarizados retro-reflectivos
contienen filtros polarizantes al frente de la fuente de luz y
del receptor. Estos filtros están en posición
perpendicular o 90ªfuera de fase uno con respecto a otro
(Figura 10).

El sensor no puede ver luz reflejada de casi
ninguna diana. La luz polarizada reflejada no puede pasar a
través del filtro polarizador ubicado frente al
receptor.

Los receptores despolarizan la luz reflejada.
Parte de la luz reflejada despolarizada puede pasar a
través del filtro polarizador frente al receptor y puede
ser detectada por el sensor.

En resumen, el sensor puede "ver" la
reflexión de un reflector y no puede "ver" la
reflexión de la mayor parte de las dianas brillantes.

Los sensores polarizados retrorreflectivos
ofrecen un rango 30-40 % más corto (y menos margen) que
los sensores normales retrorreflectivos. En lugar de indicadores
LED infrarrojos, los sensores polarizados retrorreflectivos deben
usar una fuente de luz visible menos eficiente (generalmente un
indicador LED rojo visible). Existen pérdidas adicionales
de luz a causa de los filtros polarizadores.

Los sensores polarizados sólo ignoran los
reflejos de "primera superficie" procedentes de una superficie
reflejante expuesta. La luz polarizada deja de serlo al atravesar
la mayoría de las películas de plástico,
o los materiales de envoltorio fabricados por estiramiento. Por
lo tanto, un objeto brillante puede crear reflejos que son
detectados por el receptor cuando éste está
envuelto en una película plástica transparente. En
este último caso el objeto brillante constituye la
"segunda superficie" tras el envoltorio de plástico. Para
estas aplicaciones han de considerarse otros modos de sensores
polarizados retrorreflectivos.

Todos los reflectores estándares
despolarizan la luz y son adecuados para detección
polarizada retrorreflectiva. Sin embargo, la mayoría de
cintas reflectivas no despolarizan la luz y son adecuadas
sólo para uso con sensores normales retrorreflectivos. Hay
disponibles cintas reflectivas hechas especialmente para
detección polarizada retrorreflectiva. Busque cintas
reflectivas clasificadas especialmente como adecuadas para uso
con sensores polarizados retrorreflectivos.

Difusa

La detección de haz transmitido y la
detección normal o polarizada retrorreflectiva crea un haz
de luz entre la fuente de luz y el receptor o entre el sensor y
el reflector. En ambos casos es necesario el acceso a ambos lados
de la diana u objeto a detectar

Hay situaciones en las que es difícil, por
no decir imposible, acceder a ambos lados de la diana. En estas
aplicaciones, es necesario apuntar la fuente de luz directamente
al objeto. La luz es dispersada por la superficie en todos los
ángulos y una pequeña porción es reflejada
nuevamente para ser detectada por el receptor contenido en la
misma carcasa. Este modo de detección se llama difuso o de
proximidad (vea la Figura 11).

Un modo de detección en el que la luz
incide sobre la superficie de un objeto, es difundido por
ésta en todos los ángulos y detectado por el
sensor.

Existen varios modos diferentes de
detección difusa. En esta sección se describe la
más simple, la detección difusa normal.
Los otros tipos, difusa de corte abrupto, difusa de foco fijo,
difusa gran angular, y supresión del fondo difuso, se
explican en secciones más adelante.

La meta de la detección difusa normal es
obtener un margen relativamente alto al detectar el objeto. En
ausencia de ésta, los reflejos procedentes de cualquier
fondo que se halla detrás de la diana han de proporcionar
un margen tan cercano a cero como sea posible.

La reflectividad de la diana puede variar
ampliamente. Las superficies relativamente brillantes pueden
reflejar la mayor parte de la luz en dirección
opuesta al receptor, lo cual dificulta mucho la
detección. La cara activa del sensor ha de ser paralela a
estos tipos de superficies pertenecientes a las dianas.

Los objetos muy oscuros o mate absorben la mayor
parte de la luz incidente y reflejan muy poca para ser
detectados. Estos objetos pueden ser muy difíciles de
detectar, a no ser que el sensor se sitúe muy cercano a
los objetos que se desea detectar.

La máxima distancia de detección
especificada relativa a un sensor fotoeléctrico se
determina utilizando una diana difusa calibrada. Allen-Bradley
utiliza una hoja de papel blanco de 216 mm (8.5 pulgadas) x 292
mm (11 pulgadas) especialmente formulada para poseer un 90 % de
reflectancia— lo que significa que el 90 % de la
energía lumínica procedente de la fuente de luz
será reflejada por el papel.

Las dianas en el "mundo real" generalmente son
significativamente menos reflectivas, tal como se muestra en la
Tabla 2.

La detección de dianas situadas cerca de
fondos reflectivos puede ser una operación de
resolución particularmente difícil. Puede ser
imposible ajustar el sensor para obtener un margen suficiente
desde el objeto sin detectar, o casi detectar el fondo
(Figura 12). En este caso, pueden ser más
apropiados otros tipos de detección difusa.

Difusa de corte abrupto

Los sensores difusos de corte abrupto se han
diseñado de manera que el haz de luz proveniente de la
fuente de luz y el área de detección del receptor
estén orientados uno hacia el otro. Ello hace que estos
sensores sean más sensibles con márgenes cortos y
menos sensibles con márgenes largos. Esto proporciona una
sensibilidad más confiable cuando las dianas están
cercanas a fondos reflectivos.

Tome nota que este modo de detección
proporciona cierto grado de mejora en comparación con la
detección difusa normal cuando un fondo reflectivo
está presente. En todo caso, si el fondo es altamente
reflectivo puede ser detectado aún así.

Los sensores de supresión del fondo difuso proporcionan
una solución aún mejor.

Supresión del fondo difuso

En lugar de intentar ignorar el fondo
detrás de un objeto, los sensores de supresión del
fondo difuso usan componentes electrónicos sofisticados
para detectar activamente la presencia de la diana y del fondo.
Las dos señales
se comparan y la salida cambia de estado en caso
de detección de la diana, o en caso de detección
activa del fondo.

En otras palabras, la detección de
supresión del fondo puede permitir que el sensor ignore la
presencia de un fondo muy reflectivo que está directamente
detrás de una diana oscura y menos reflectiva. Es el modo
ideal de detección difusa para un gran número de
aplicaciones. Sin embargo, los sensores de supresión del
fondo son más complejos y por lo tanto más costosos
que otros sensores difusos.

Difusa de foco fijo

En un sensor de foco fijo (haz convergente), el
haz de luz proveniente de la fuente de luz y el área de
detección del receptor están enfocados hacia un
punto muy angosto (punto focal) a una distancia fija al frente
del sensor. El sensor es muy sensible en dicho punto y poco o
nada sensible fuera de dicho punto focal.

Los sensores de foco fijo se usan principalmente
en tres aplicaciones:

• Detección confiable de objetos (o
  dianas) pequeños. Debido a que el sensor es muy
  sensible en el punto focal, las dianas pequeñas pueden
  detectarse sin dificultad.

• Detección de objetos a pequeña
  distancia. Como un sensor de foco fijo es más sensible
  en el punto focal, se puede usar en algunas aplicaciones para
  detectar un objeto en el punto focal e ignorarlo cuando
  está adelante o detrás del punto focal.

• Detección de marcas de
  impresión a color (detección de marcas de
  registro a color). En algunas aplicaciones es importante
  detectar la presencia de una marca impresa en una banda
  continua de material de envolver. Se puede seleccionar un
  sensor de foco fijo con un color específico de fuente
  de luz visible (generalmente rojo, verde o azul) para
  proporcionar la más alta sensibilidad a la marca.

Difuso gran angular

Los sensores difusos gran angular proyectan la
fuente de luz y el área de detección del receptor
en una amplia área (Figura 13).

Estos sensores son ideales para dos tipos de
aplicaciones:

• Detección de rosca—un sensor
  difuso gran angular puede detectar la presencia de hilos de
  rosca extremadamente delgados y otros materiales ubicados
  cerca del sensor. La presencia o ausencia (rosca rota) de la
  rosca puede ser detectada de manera confiable, incluso aunque
  éste se mueva de lado a lado en la parte frontal del
  sensor.

• Ignorar agujeros o imperfecciones en los
  objetos—debido a que el sensor gran angular puede
  detectar objetos en una amplia área, puede
  también ignorar agujeros pequeños o
  imperfecciones en objetos difusos.

Fibra óptica

Los sensores de fibra
óptica permiten el acoplamiento de "tubos de luz"
denominados cables de fibra óptica.
La luz emitida por la fuente de luz es transmitida a
través de fibras transparentes en los cables y sale por el
extremo de la fibra. Luego el haz transmitido o reflejado es
llevado al receptor a través de fibras diferentes.

Los cables de fibra óptica pueden montarse
en lugares que de otra forma serían inaccesibles a los
sensores fotoeléctricos. Se pueden utilizar donde la
temperatura
ambiente es
elevada, así como también en aplicaciones donde hay
golpes o vibraciones extremas, o donde es necesario el movimiento
continuo del punto de detección (como se describe
más adelante).

Para hacer cables de fibra óptica se
utilizan tanto fibras de vidrio como de
plástico, ambos de material transparente.

Vidrio

Los cables ópticos de fibra de vidrio
contienen múltiples fibras muy finas de dicho material
empaquetadas juntas bajo una cubierta flexible.

Los cables ópticos de fibra de vidrio son
en general más duraderos que los cables ópticos de
fibra de plástico. Los cables de vidrio soportan
temperaturas mucho más altas. Cables de fibra
óptica de vidrio estándar de Allen-Bradley con
cubierta de acero inoxidable
clasificados para hasta 260 °C (500 °F). Mediante
pedido especial se puede obtener cables con capacidades de
temperatura de hasta 480 °C (900 °F).

La mayor parte de los cables de fibra de vidrio
poseen dos tipos de cubiertas, de PVC y de acero inoxidable
flexible. Los recubiertos de PVC son generalmente más
baratos. La cubierta de acero inoxidable hace que los cables sean
aún más durables y permite que funcionen a
temperaturas superiores.

Plástico

Los cables de fibra óptica de
plástico generalmente están hechos de un
monofilamento de acrílico. No llevan cubierta protectora,
lo que los hace menos duraderos, pero también más
baratos, en general, que los de fibra de vidrio.

Los cables de plástico pueden utilizarse
en aplicaciones donde se requiere la flexión continua de
éstos. Para estas aplicaciones existen modelos de
cables de plástico en espiral.

Los cables de fibra óptica están
disponibles en configuraciones individuales o
bifurcadas Se utilizan dos cables individuales para la
detección del haz transmitido. Algunos cables individuales
se envían por separado, otros se venden en paquetes de
dos. Haga el pedido con cuidado para recibir dos cables.

Los cables bifurcados se utilizan para los modos
de detección difusos o retrorreflectivos. La
detección normal difusa con cables de fibra óptica
es similar a la detección con sensores
fotoeléctricos con lente.

La detección retrorreflectiva es posible
utilizando reflectores o cintas reflectivas. La detección
retrorreflectiva polarizada no puede llevarse a cabo con tales
aditamentos. En algunas aplicaciones, para evitar la
detección difusa de la diana u objeto a detectar,
será necesario reducir la sensibilidad del sensor.

La fibra de vidrio puede utilizarse con LEDs
infrarrojos o visibles. Las fibras de plástico absorben la
luz infrarroja y por lo tanto son más eficientes cuando se
usan con indicadores LED de color rojo
visible. Hay una amplia selección
de cables de fibra óptica disponibles y se pueden obtener
muchas configuraciones especiales.

Detección de objetos
transparentes

Los materiales transparentes son una
aplicación desafiante para los sensores
fotoeléctricos. La mayoría de objetos y
películas transparentes proporcionan un contraste
insuficiente para una detección confiable con sensores
retrorreflectivos o polarizados retrorreflectivos de uso general.
Diversas formas de detección difusa no ofrecen una
solución ideal porque no se puede detectar la
ubicación exacta del objeto transparente.

Rockwell Automation/Allen-Bradley ofrece los
sensores fotoeléctricos ClearSightt, los cuales
están diseñados específicamente para
aplicaciones de detección de objetos y películas
transparentes. Estos sensores polarizados retrorreflectivos
contienen ensamblajes ópticos especiales diseñados
para optimizar la cantidad de contraste generada por objetos y
películas transparentes. La confiabilidad de
detección se mejora posteriormente con la ayuda de
circuitos
electrónicos especiales y con características de
software.

Especificaciones de los Sensores
fotoeléctricos

Operación de la salida por
luz/oscuridad

Los términos "operación por luz" y
"operación por oscuridad" se usan para describir la
acción
de un sensor cuando un objeto está presente o ausente.

Una salida de operación por luz se activa
(energizada, nivel de lógica
uno) cuando el receptor puede "ver" suficiente luz proveniente de
la fuente de luz.

En el caso de detección retrorreflectiva y
haz transmitido, una salida de operación por luz se activa
cuando el objeto está ausente y la luz proveniente de la
fuente de luz puede llegar al receptor. En el caso de
detección difusa (todos los tipos), la salida se activa
cuando el objeto está presente y reflejando luz de la
fuente de luz al receptor.

Una salida de operación por oscuridad
está activada (energizada, nivel de lógica uno)
cuando el receptor no puede "ver" la luz proveniente de la fuente
de luz.

En el caso de detección retrorreflectiva y
haz transmitido, una salida de operación por oscuridad se
activa cuando el objeto está presente y la luz proveniente
de la fuente de luz está bloqueada y no puede llegar al
receptor. En el caso de detección difusa (todos los
tipos), una salida de operación por oscuridad se activa
cuando el objeto está ausente.

Distancia máxima de
detección

Esta especificación se refiere a la
distancia de detección desde:

• Sensor a reflector en sensores
  retrorreflectivos y polarizados retrorreflectivos,

• Sensor a objeto especificado en todos los
  tipos de sensores difusos, y

• Fuente de luz a receptor en sensores de haz
  transmitido.

Esta distancia de detección está
garantizada por el fabricante. Los sensores fotoeléctricos
PHOTOSWITCH tienen una clasificación conservadora; la
distancia de detección disponible generalmente
excederá esta especificación.

Nótese que esta distancia se especifica
para un margen de 1X, lo que significa que el receptor
detectará la cantidad justa de luz procedente de la fuente
de luz para cambiar el estado de
la salida.

Comparación de cables de fibra
óptica

La mayoría de los entornos industriales
produce contaminación que se deposita en las lentes
del sensor y en los reflectores o en las dianas. En tal caso los
sensores han de aplicarse a distancias más cortas para
incrementar el margen, llevándolo a un valor
aceptable y mejorando así la confiabilidad de la
aplicación.

Distancia mínima de
detección

Muchos sensores retrorreflectivos, polarizados
retrorreflectivos y difusos (la mayoría de los tipos)
tienen una pequeña área "ciega" cerca del sensor
(Figura 15). Para obtener una operación
confiable, los reflectores, las cintas reflectivas o los objetos
difusos se deben colocar más lejos del sensor que esta
distancia mínima de detección.

Figura 15 Área ciega

Curva de respuesta típica

Las páginas del catálogo referentes
a la mayoría de sensores fotoeléctricos PHOTOSWITCH
muestran una curva que indica el margen típico dependiendo
de la distancia de detección.

Por lo general se recomienda un margen de 2X como
mínimo para los entornos industriales.

La Figura 16 muestra un ejemplo de curva
para un sensor difuso. El máximo rango de detección
(margen=1X) de este sensor es de 1 m (39.4 pulgadas) con respecto
a una diana específica de papel blanco. Se puede obtener
un margen de 4X a la mitad de dicha distancia aproximadamente, es
decir, 500 mm (19.7 pulgadas).

Tiempo de respuesta

El tiempo de
respuesta de un sensor es el tiempo que transcurre entre la
detección de un objeto y el cambio de
estado del dispositivo de salida de activado a desactivado y de
desactivado a activado. También es el tiempo necesario
para que el dispositivo de salida cambie de estado, una vez que
la diana ha dejado de ser detectada por el sensor.

Para la mayoría de los sensores el tiempo
de respuesta es una única especificación para ambos
tiempos de ACTIVACIÓN y DESACTIVACIÓN. Hay otros
sensores en los que se pueden proporcionan dos valores
diferentes.

Los tiempos de respuesta dependen del diseño
del sensor y del tipo de dispositivo de salida. Los sensores
más lentos normalmente ofrecen rangos más largos de
detección. Los más rápidos normalmente
poseen distancias de detección más cortas. Los
tiempos de respuesta de los sensores fotoeléctricos
PHOTOSWITCH varían de 30 (is a 30 ms.

Campo de visión

En la mayoría de sensores
fotoeléctricos, el haz de luz proveniente de la fuente de
luz y el área de detección al frente del receptor
se proyecta en dirección opuesta al sensor en una forma
cónica. El campo de visión es una medida (en
grados) de esta área cónica.

El campo de visión es una
especificación útil para determinar el área
de detección disponible a una distancia fija que se aleja
del sensor fotoeléctrico.

Consulte la Figura 17 para este ejemplo.
El sensor retrorreflectivo 42SRU-6002 tiene un campo de
visión de 3o. La figura muestra que a una distancia de
detección de 3.0 m (10 pies) el área de
detección será un círculo de 168 mm (6.6
pulg.) de diámetro (56 mm ó 2.2 pulg. por
grado).

Los sensores que poseen amplios campos de
visión poseen así mismo unas distancias de
detección más cortas. Por otra parte el campo de
visión más amplio puede hacer más
fácil la operación de alineamiento.

Contorno del haz

Para ayudar a predecir el funcionamiento de los
sensores en una gran variedad de aplicaciones, se incluyen
representaciones gráficas del contorno del haz en las
especificaciones de diversas líneas de sensores
fotoeléctricos Allen-Bradley. El contorno del haz se
define como el área de detección adecuada a un
sensor fotoeléctrico dado. Éste es el contorno
generado al comparar la respuesta del receptor con la
señal emitida a través de la distancia de
operación del sensor.

Todos los contornos del haz aparecen dibujados en
dos dimensiones y se asume que han de ser simétricos en
todos los planos que pasan por el eje óptico del sensor.
El margen máximo de operación se localiza en el eje
óptico y decrece al desplazarnos hacia el límite
exterior del contorno del haz.

Todos los contornos de haz se generan bajo
condiciones de detección limpias con un alineamiento
óptimo del sensor. El contorno del haz represente el
área más grande de detección típica y
no se debe considerar como precisa. El polvo, la
contaminación, las nebulizaciones, etc.
disminuirán el área de detección y el rango
de operación del sensor.

Contornos de haz transmitido

El contorno del haz, en el caso de un sensor de
haz transmitido, representa el límite donde el receptor
recibe eficazmente la señal del emisor, suponiendo que no
existe un mal alineamiento de ángulo. Un mal alineamiento
angular entre el emisor y el receptor disminuirá el
tamaño del área de detección. Los contornos
del haz en los sensores de haz transmitido son útiles para
determinar el espacio mínimo necesario entre los pares de
sensores adyacentes de haz transmitido para prevenir
interferencias ópticas de cruce entre una pareja de
sensores y la siguiente.

Contornos de haz retrorreflectivo

Los contornos de haz de sensores
retrorreflectivos y retrorreflectivos polarizados representan el
límite dentro del cual el sensor responderá a una
diana retrorreflectiva cuando ésta pasa por delante de la
óptica del sensor. La diana retrorreflectiva se mantiene
perpendicular al eje óptico del sensor mientras que se va
representando el diámetro del haz. Salvo que se indique lo
contrario, para generar los contornos de haz retrorreflectivo se
utiliza una diana retrorreflectiva modelo 92-39
de 76 mm de diámetro.

El objetivo a
detectar ha de ser de igual o mayor tamaño que el
diámetro del haz indicado en el contorno de haz para que
la operación resulte confiable. Para la detección
precisa de objetos de menor tamaño debe utilizarse una
diana retrorreflectiva más pequeña.

Contornos de haz difuso, de corte abrupto y de
supresión de fondo

El contorno de haz de un sensor difuso representa
el límite dentro del cual el borde de una diana reflectiva
blanca será detectado según pase por delante del
sensor. Los contornos de haz difuso se generan utilizando una
hoja del 90 % de reflectancia de 216 mm x 279 mm (81/2 pulg. x 11
pulg.) de papel blanco mantenida perpendicularmente al eje
óptico del sensor. El área de detección
será más pequeña para materiales que son
menos reflectivos y mayor para los que tienen una reflectancia
mayor. Los objetos menores disminuyen el tamaño del
contorno de haz de algunos sensores difusos a mayores valores del
rango. Los objetos difusos con superficies que no están
perpendiculares al eje óptico del sensor también
disminuirán significativamente la respuesta del
sensor.

Es importante notar que el tamaño eficaz
del haz del control
retrorreflectivo es igual al tamaño de la diana
retrorreflectiva. Las dianas reflectivas adicionales en el campo
de visión aumentarán el exceso de ganancia y la
distancia de operación, si el campo de visión es
mayor que la diana inicial, según lo ilustrado en la
(Figura 18).

Histéresis

Los sensores fotoeléctricos tienen
histéresis (o diferencial).

La histéresis de un sensor
fotoeléctrico es la diferencia entre la distancia en la
que se puede detectar un objeto a medida que se mueve hacia el
sensor y la distancia que se tiene que mover en dirección
opuesta al sensor para que deje de ser detectado.

En la Figura 19 se muestra un ejemplo.
Cuando la diana se acerca al sensor, éste la
detectará a una distancia X. Cuando la diana se aleja del
sensor, seguirá siendo detectada hasta llegar a una
distancia Y.

Los sensores fotoeléctricos son
útiles para detectar objetos grandes y opacos en
aplicaciones de haz transmitido, retrorreflectivo y
retrorreflectivo polarizado. En aplicaciones difusas, la gran
diferencia en la luz reflejada desde el objeto y el fondo
también permite el uso de sensores de alta
histéresis.

La baja histéresis requiere
pequeños cambios en el nivel de luz. Las series 10000 y
42FT permiten la selección de baja histéresis para
estas aplicaciones.

Alineamiento de un sensor
fotoeléctrico

El alineamiento adecuado del sensor dará
lugar a una solución de detección más
potente y que requiere menos mantenimiento.

Retrorreflectivos o retrorreflectivos
polarizados

Apunte el sensor hacia el reflector (o cinta
reflectiva). Separe lentamente éste hacia la izquierda
hasta dejar de detectar el reflector. Marque esta
posición, ahora mueva el sensor despacio hacia la derecha
y fíjese en el momento en que deja de detectar al
reflector. Centre el sensor entre estos dos puntos, repita la
operación hacia arriba y abajo para centrarlo en el plano
vertical.

Difuso (todos los tipos)

Apunte el sensor hacia la diana. Desplace el
sensor hacia arriba y abajo, hacia la izquierda y derecha para
centrar el haz en la diana.

Reduzca la sensibilidad exactamente hasta el
punto en que deje de detectarse la diana y marque la
posición del ajuste de sensibilidad.

Quite la diana e incremente la sensibilidad hasta
detectar el fondo. Ajuste la sensibilidad en el punto medio entre
la detección de la diana y la detección del
fondo.

Haz transmitido

Apunte el reflector hacia la fuente de luz. Mueva
lentamente el receptor hacia la izquierda hasta que la fuente de
luz deje de ser detectada. Tome nota de esta posición,
luego lentamente mueva el receptor hacia la derecha y tome nota
cuando el reflector deje de ser detectado. Centre el receptor
entre estas dos posiciones, luego muévalo hacia arriba y
hacia abajo para centrarlo en el plano vertical.

b.3.a Ultrasónicos

Principios de
operación

Los sensores ultrasónicos funcionan
emitiendo y recibiendo ondas de sonido de alta
frecuencia. La frecuencia generalmente es de aproximadamente 200
kHz, un valor demasiado alto para ser detectado por el oído
humano.

Modos de operación

Hay dos modos básicos de operación:
modo opuesto y modo difuso (eco).

En el modo opuesto, un sensor emite la onda de
sonido y otro, montado en posición opuesta al emisor,
recibe la onda de sonido.

En el modo difuso, el mismo sensor emite la onda
de sonido y luego escucha el eco que rebota de un objeto.

Margen de detección

El rango de detección es la distancia
dentro de la cual el sensor ultrasónico detectará
un objeto bajo fluctuaciones de temperatura y voltaje.

Zona ciega

Los sensores ultrasónicos tienen una zona
ciega inherente ubicada en la cara de detección. El
tamaño de la zona ciega depende de la frecuencia del
transductor. Los objetos ubicados dentro de la zona ciega no se
pueden detectar de manera confiable.

Consideraciones sobre el objeto

Se deben tener en cuenta ciertas
características de los objetos cuando se usan sensores
ultrasónicos. Éstas incluyen la forma, el material,
la temperatura, el tamaño y la posición del
objeto.

Los materiales suaves tales como telas o caucho
esponjoso son difíciles de detectar por la tecnología
ultrasónica difusa porque no reflejan el sonido
adecuadamente.

El objeto estándar para un sensor
ultrasónico tipo difuso está establecido por el
estándar de la Comisión Electrotécnica
Internacional IEC 60947-5-2. El objeto estándar tiene
forma cuadrada, un grosor de 1 mm y está hecho de metal
con acabado laminado. El tamaño del objeto depende del
margen de detección.

Para los sensores ultrasónicos de modo
opuesto, no hay un estándar establecido

Los objetos estándar se usan para
establecer los parámetros de rendimiento de los sensores.
El usuario debe tener en consideración las diferencias de
rendimiento debido a objetos no estándares.

Los sensores ultrasónicos funcionan
emitiendo y recibiendo ondas de sonido de alta frecuencia. La
frecuencia generalmente es de aproximadamente 200 kHz, un valor
demasiado alto para ser detectado por el oído humano.

Modos de operación

Hay dos modos básicos de operación:
modo opuesto y modo difuso (eco).

En el modo opuesto, un sensor emite la onda de
sonido y otro, montado en posición opuesta al emisor,
recibe la onda de sonido.

En el modo difuso, el mismo sensor emite la onda
de sonido y luego escucha el eco que rebota de un objeto.

Margen de detección

El rango de detección es la distancia
dentro de la cual el sensor ultrasónico detectará
un objeto bajo fluctuaciones de temperatura y voltaje.

Zona ciega

Los sensores ultrasónicos tienen una zona
ciega inherente ubicada en la cara de detección. El
tamaño de la zona ciega depende de la frecuencia del
transductor. Los objetos ubicados dentro de la zona ciega no se
pueden detectar de manera confiable.

Consideraciones sobre el objeto

Se deben tener en cuenta ciertas
características de los objetos cuando se usan sensores
ultrasónicos. Éstas incluyen la forma, el material,
la temperatura, el tamaño y la posición del
objeto.

Los materiales suaves tales como telas o caucho
esponjoso son difíciles de detectar por la
tecnología ultrasónica difusa porque no reflejan el
sonido adecuadamente.

El objeto estándar para un sensor
ultrasónico tipo difuso está establecido por el
estándar de la Comisión Electrotécnica
Internacional IEC 60947-5-2. El objeto estándar tiene
forma cuadrada, un grosor de 1 mm y está hecho de metal
con acabado laminado. El tamaño del objeto depende del
margen de detección.

Para los sensores ultrasónicos de modo
opuesto, no hay un estándar establecido

Los objetos estándar se usan para
establecer los parámetros de rendimiento de los sensores.
El usuario debe tener en consideración las diferencias de
rendimiento debido a objetos no estándares.

3.2 Medición de la Aceleración

Las técnicas
convencionales para detectar y medir la aceleración se
fundamenta en el primer principio descubierto por Newton y
descritos en su Principio de Newton en 1687. La
aceleración constante de una masa implica una fuerza
(F = m x a), donde F es la fuerza,
a es la aceleración y m es la masa. Muchos
acelerómetros operan detectando la fuerza ejercida en una
masa por una limitación elástica.

Considerando un sistema mecánico simple, que consiste
en una masa fija m, con un muelle con una rigidez k
(constante). Si la masa se desplaza una distancia x, la
aceleración debida a la fuerza restauradora del muelle es
F = k * x. Substituyendo en la
ecuación de Newton, encontramos que
a=k*x/m y podemos derivar la magnitud de la
aceleración observando el desplazamiento x de la
masa fija. Este principio fundamental se utiliza hasta en el
más sofisticado y caro acelerómetro
electromecánico; así también trabajan los
modernos acelerómetros micromecanizados.

La Aceleración es el cambio de la
velocidad. La
unidad de medida es: m/s², g (1g = 9.8m/s²)

3.2.1.1 Acelerómetros
Capacitivos

Analog Devices con el acelerómetro monolítico
ADXL50, se convirtió en la primera compañía
que ha fabricó en producción de alto volumen un
acelerómetro para aplicaciones en automoción como
son los sistemas de
suspensión activos, cierre
de puertas automática, sistemas antibloqueo de frenos y
"airbag", este importante desarrollo del
acelerómetro no podía haber ocurrido en un tiempo
mejor. El elemento sensor estaba complementado con una
circuitería de acondicionamiento de señal con
salida de voltaje proporcional a la aceleración.
Posteriormente se ha mejorado la circuitería dando una
salida digital con el ADXL202.

El sensor lo forma una superficie
micromecanizada, es un minúsculo sensor de
aceleración de movimiento en un circuito integrado de
silicio de bajo coste. Solamente la superficie micromecanizada
puede dar la combinación de alta seguridad en su
funcionamiento y tamaño pequeño. El elemento sensor
del acelerómetro mide cerca de 1 mm².

El silicio que se prueba a sí mismo:
¿Cómo puede probar un sistema "airbag"
electromecánico para asegurar que está siempre
listo para jugar su papel de salvamento?. La respuesta es muy
simple: no puede.

Por esto los acelerómetros monolíticos de
Analog Devices con su modo de autocomprobación
natural, representan un avance muy importante. La estructura del
sensor se hace una autoprueba, está diseñado para
hacerse una autocomprobación continua con la
aplicación de un comando digital. Esta
característica esencial, única de Analog
Devices asegura que el sistema trabajará en el
instante necesario.

La superficie micromecanizada es una técnica de
procesamiento utilizada para fabricar estructuras
mecánicas extremadamente pequeñas de silicio. En
realidad, el movimiento del elemento micromecanizado en el
acelerómetro es menor de 1 mm². Utilizando los mismos
pasos para hacer circuitos electrónicos convencionales, la
superficie micromecanizada crea estructuras pequeñas que
están cerca de la superficie del silicio, no obstante
están libres para moverse.

La superficie micromecanizada no se debe confundir con el
procesado del volumen micromecanizado utilizado para crear
acelerómetros piezorresistivos que hay actualmente en el
mercado. Esculpir
un volumen micromecanizado a través de un substrato
relativamente grueso, que varía desde 2.5 a 5 mm de lado.
La superficie micromecanizada involucra depositar
películas delgadas en el substrato. El resultado es un
sistema de medición de aceleración completo en un
espacio más pequeño de 10 mm². Estas
dimensiones tan pequeñas también dejan sitio para
la inclusión de todo el conjunto de circuitos de
acondicionamiento de la señal necesaria en el mismo
chip.

3.2.1.3 Funcionamiento del sensor micromecanizado

Cuando se observa el sensor micromecanizado parece una "H".
Los delgados y largos brazos de la "H" están fijos al
substrato. Los otros elementos están libres para moverse,
lo forman una serie de filamentos finos, con una masa central,
cada uno actúa como una placa de un condensador variable,
de placas paralelo. La aceleración o desaceleración
en el eje "SENSOR", ejerce una fuerza a la masa central. Al
moverse libremente, la masa desplaza las minúsculas placas
del condensador, provocando un cambio de capacidad. Este cambio
de capacidad es detectado y procesado para obtener un voltaje de
salida fácil de utilizar utilizando una tecnología
BiCMOS (BiMOS II).

El dispositivo realmente trabaja en un lazo de control
electrónico de fuerza/balanceo. Este lazo de control evita
el movimiento de la masa en aceleración, por la
aplicación de una fuerza igual pero opuesta creada por la
aplicación de un voltaje en las placas del condensador.
Este voltaje aplicado es directamente proporcional a la
aceleración.

3.2.1.4 Otras Aplicaciones

La aceleración es una cantidad física fundamental,
manifestada de muchas maneras (gravedad, vibración, y
actividad sísmica), estos son algunos ejemplos. La
medición de la aceleración continuamente,
exactamente y a bajo coste, abre numerosas aplicaciones para los
acelerómetros.

Los fabricantes de ordenadores portátiles continuamente
buscan formas para hacer sus productos
más seguros. Los
elementos más dispuestos a dañarse son los dispositivos de
almacenamiento masivo (con la consecuente pérdida
catastrófica de información almacenada), discos duros
particularmente. El delicado mecanismo que lee y escribe
información a los discos, flota sobre los discos; un
movimiento repentino puede provocar fácilmente un
problema, destruyéndose igualmente la información.
Un acelerómetro puede detectar el "ataque del daño
potencial", contrarrestar los choques y evitar que se dañe
el disco.

Muchos de nosotros hemos tenido la decepcionante experiencia
de abrir un paquete grande y nos hemos encontrado los delicados
contenidos totalmente maltratados debido a golpes externos.
¿Cómo ocurrió el daño?, ¿y de
quien es la culpa?… Si una grabadora de mano (que consista de
un acelerómetro, un cronómetro y un registro de
información) se incluyera en la consignación, estas
preguntas se podrían responder fácilmente. Tales
grabadoras podrían ser la norma para transportar delicados
y caros objetos…

Las aplicaciones militares incluyen ingeniosos sistemas de
detonación para mísiles y bombas. En este
caso un acelerómetro forma parte del sistema difuso, la
detección de impacto por la rápida
desaceleración asociada. La continua variación de
salida del acelerómetro sería rápidamente
analizado, estableciendo el instante preciso en que la carga
explosiva debe ser detonada produciendo el daño
máximo sobre el objetivo.

También puede ser utilizado para monitorizar máquinas
de salud, maquinas
de rotación para mostrar las características de
vibración; grietas o fatigas de las máquinas,
monitorizando continuamente las vibración de una
máquina, es posible avisar de algún fallo
inminente. Las aplicaciones varían según el tipo de
máquina: desde una aeronave, sistemas de calentamiento,
sistemas de ventilación y aire
acondicionado.

3.2.1.5 Otros Desarrollos

El ADXL105 forma parte de una familia que
incluye una sensibilidad de escala completa
de ± 5 g, con una resolución de 10mg.
También está en desarrollo una familia de sensores
de diferentes rangos, con el elemento sensor micromecanizado, es
posible incorporar varios en un mismo chip, orientados o no en la
misma posición ortogonal. Es decir se pueden construir
sensores de doble eje, como el ADXL202, permitiendo medir
vectores de
aceleración en el plano de superficie del chip y con una
salida digital. Por otra parte, se pueden alinear dos o
más sensores en el mismo plano, permitiendo sensar
señales redundantes para detectar fallos en aplicaciones
seguras.

3.2.2 Medida inercial de la velocidad y la
posición

Midiendo la aceleración se puede
determinar la velocidad y la posición. La
Aceleración Integrada: una para velocidad, dos veces para
la distancia.

Medida Relativa desde una posición
inicial:

Puede ser exacta para periodos cortos de tiempo, pero la
exactitud se degrada proporcionalmente al cuadrado del tiempo de
integración. Es posible una exactitud
Posicional de 2cm sobre un segundo. La exactitud Posicional se
degrada a 20m después de 10 segundos de
integración.

Aplicaciones: Mejora la precisión de los
sistemas GPS (determina la
posición del coche cuando el GPS pierde la señal en
un túnel). Control dinámico de Vehículos
(control de deslizamiento). Ascensores (mejora la
precisión posicional usando la medida inercial entre
puntos de localización de referencia conocidos)

3.2.3 Giróscopos
monolíticos

Analog Devices ha fabricado el primer giroscopio
monolítico para realizar medidas angulares (mide la
velocidad en que gira sobre su propio eje). Puede medir cambios
de inclinación o cambios de dirección integrando la
velocidad angular.

3.2.3.1 Medida de la velocidad angular

La velocidad angular mide la rapidez en que gira
un objeto alrededor de un eje. Integrando la velocidad angular se
miden los cambios de inclinación o cambios de
dirección.

La velocidad angular se mide midiendo la fuerza
de Coriolis

¿Cuál es la fuerza de Coriolis?: Cuando
un objeto se mueve de una manera periódica (oscilando o
girando), girando el objeto en un plano ortogonal a su movimiento
periódico causa una fuerza de
traslación en la otra dirección ortogonal.

La velocidad angular se determina por la medida
de la aceleración de Coriolis.

La Velocidad aplicada por medio de una estructura
rígida resonando a 18KHz acoplada a un marco de un
acelerómetro. La aceleración de Coriolis
estará en la misma frecuencia y fase que el resonador, con
tal que la baja velocidad de vibración externa pueda
cancelarse. La familia
ADXRS150 usa dos traviesas (masas) resonando en antifase. El
funcionamiento diferencial permite el rechazo de muchos
errores.

Aplicaciones: Control Dinámico de un
Vehículo (VDC). Mide la velocidad sobre el eje vertical de
un vehículo y compara el valor predictivo, por los
sensores de velocidad de las ruedas, para ver si el
vehículo se está deslizando. La mayoría de
los sistemas VDC también incluyen acelerómetros de
bajos g, que se usan para medir si el deslizamiento del
vehículo es longitudinal para el control ABS o lateral
para detectar pérdida de tracción.

3.2.3 Sensores
Térmicos

3.2.3.1Termopar

Diagrama de funcionamiento del termopar

Un termopar es un circuito formado por dos
metales
distintos que produce un voltaje siempre y cuando los metales se
encuentren a temperaturas diferentes.En electrónica, los termopares son ampliamente
usados como sensores de temperatura. Son baratos,
intercambiables, tienen conectores estándar y son capaces
de medir un amplio rango de temperaturas. Su principal
limitación es la exactitud ya que los errores del sistema
inferiores a un grado centígrado son difíciles de
obtener.

El grupo de
termopares conectados en serie recibe el nombre de
termopila. Tanto los termopares como las termopilas, son
muy usadas en aplicaciones de calefacción a gas.

3.2.3.2 Funcionamiento

En 1822 el físico estoniano Thomas Seebeck
descubrió accidentalmente que la unión entre dos
metales genera un voltaje que es función de
la temperatura. Los termopares funcionan bajo este principio, el
llamado efecto Seebeck. Si bien casi cualquier par de metales
pueden ser usados para crear un termopar, se usa un cierto
número debido a que producen voltajes predecibles y
amplios gradientes de temperatura.El diagrama
inferior muestra un termopar del tipo K, que es el más
popular:

En el diagrama de arriba, este termopar de tipo K
producirá 12,2mV a 300ºC. Desafortunadamente no es
posible conectar un voltímetro al termopar para medir este
voltaje porque la conexión a las guías del
voltímetro hará una segunda unión no
deseada. Para realizar mediciones precisas se debe compensar al
usar una técnica conocida como compensación de
unión fría (CUF).La ley de los
metales intermedios dice que un tercer metal introducido entre
dos metales distintos de una unión de termopar no
tendrá efecto siempre y cuando las dos uniones
estén a la misma temperatura. Esta ley es importante en la
construcción de uniones de termopares. Es
posible hacer una unión termopar al estañar dos
metales, ya que la estañadura no afectará la
sensibilidad. En la práctica, las uniones termopares se
realizan con soldaduras de los dos metales (por lo general con
una carga capacitiva) ya que esto asegura que el desempeño no esté limitado al punto
de fusión
de una estañadura.

Por lo general, la temperatura de la unión
fría es detectada por un termistor de precisión en
buen contacto con los conectores de salida del instrumento de
medición. Esta segunda lectura de
temperatura, junto con la lectura del
termopar es usada por el instrumento de medición para
calcular la temperatura verdadera en el extremo del termopar.
Para aplicaciones menos críticas, la CUF es usada por un
sensor de temperatura semiconductor. Al combinar la señal
de este semiconductor con la señal del termopar, la
lectura correcta puede ser obtenida sin la necesidad o esfuerzo
de registrar dos temperaturas. La comprensión de la
compensación de unión fría es importante;
cualquier error en la medición de la temperatura de la
unión fría terminará en el error de la
temperatura medida en el extremo del termopar.

Linearización

Además de lidiar con la CUF, el
instrumento de medición debe además enfrentar el
hecho de que la energía generada por un termopar no es
lineal. La relación entre la temperatura y la
generación de voltaje es un polinomio complejo (de 5º
a 9º orden dependiendo del tipo de termopar). Los métodos
análogos de linearización son usados en medidores
termopares de bajo costo.

Modalidades de termopares

Los termopares están disponibles en
diferentes modalidades, como sondas. Estas últimas son
ideales para variadas aplicaciones de medición, por
ejemplo, en la
investigación médica, sensores de temperatura
para los alimentos, en la
industria y en
otras ramas de la ciencia,
etc.

A la hora de seleccionar una sonda de este tipo
debe tenerse en consideración el tipo de conector. Los dos
tipos son el modelo estándar, con pines redondos
y el modelo miniatura, con pines chatos, siendo estos
últimos (contradictoriamente al nombre de los primeros)
los más populares.

Otro punto importante en la selección es
el tipo de termopar, el aislamiento y la construcción de
la sonda. Todos estos factores tienen un efecto en el rango de
temperatura a medir, precisión y confiabilidad en las
lecturas.

3.2.3.3. Tipos de termopares

• Tipo K (Cromo (Ni-Cr) / Aluminio
  (aleación de Ni-Al)): con una amplia variedad de
  aplicaciones, está disponible a un bajo costo y en una
  variedad de sondas. Tienen un rango de temperatura de -200
  ºC a +1.200 ºC y una sensibilidad
  41&µV/°C aprox.

• Tipo E (Cromo / Constantán
  (aleación de Cu-Ni)): No son magnéticos y
  gracias a su sensibilidad, son ideales para el uso en bajas
  temperaturas, en el ámbito criogénico. Tienen
  una sensibilidad de 68 &µV/°C.

• Tipo J (Hierro / Constantán):
  debido a su limitado rango, el tipo J es menos popular que el
  K. Son ideales para usar en viejos equipos que no aceptan el
  uso de termopares más modernos. El tipo J no puede
  usarse a temperaturas superiores a 760 ºC ya que una
  abrupta transformación magnética causa una
  descalibración permanente. Tienen un rango de
  -40ºC a +750ºC.

• Tipo N (Nicrosil (Ni-Cr-Si / Nisil
  (Ni-Si)): es adecuado para mediciones de alta temperatura
  gracias a su elevada estabilidad y resistencia a la
  oxidación de altas temperaturas, y no necesita del
  platino utilizado en los tipos B, R y S que son más
  caros.

Por otro lado, los termopares tipo B, R y S son
los más estables, pero debido a su baja sensibilidad (10
&µV/°C aprox.) generalmente son usados para medir
altas temperaturas (superiores a 300 ºC).

• Tipo B (Platino (Pt)-Rodio (Rh)): son
  adecuados para la medición de altas temperaturas
  superiores a 1.800 ºC. El tipo B por lo general
  presentan el mismo resultado a 0 ºC y 42 ºC debido
  a su curva de temperatura/voltaje.

• Tipo R (Platino (Pt)-Rodio (Rh)):
  adecuados para la medición de temperaturas de hasta
  1.600 ºC. Su baja sensibilidad (10 &µV/°C)
  y su elevado quitan su atractivo.

• Tipo S (Hierro / Constantán):
  ideales para mediciones de altas temperaturas hasta los 1.600
  ºC, pero su baja sensibilidad (10 &µV/°C)
  y su elevado precio lo convierten en un instrumento no
  adecuado para el uso general. Debido a su elevada
  estabilidad, el tipo S es utilizado para la
  calibración universal del punto de fusión del
  oro (1064,43 °C).

• Tipo T: es un termopar adecuado para
  mediciones en el rango de -200 ºC a 0 ºC. El
  conductor positivo está hecho de cobre y el negativo,
  de constantán.

Los termopares con una baja sensibilidad, como en
el caso de los tipos B, R y S, tienen además una
resolución menor. La selección de termopares es
importante para asegurarse que cubren el rango de temperaturas a
determinar.

Precauciones y consideraciones al usar
termopares

La mayor parte de los problemas de
medición y errores con los termopares se deben a la falta
de conocimientos del funcionamiento de los termopares. A
continuación, un breve listado de los problemas más
comunes que deben tenerse en cuenta.

Problemas de conexión

La mayoría de los errores de
medición son causados por uniones no intencionales del
termopar. Se debe tener en cuenta que cualquier contacto entre
dos metales distintos creará una unión. Si lo que
se desea es aumentar la longitud de las guías, se debe
usar el tipo correcto del cable de extensión. Así
por ejemplo, el tipo K corresponde al termopar K. Al usar otro
tipo se introducirá una unión termopar. Cualquiera
que sea el conector empleado debe estar hecho del material
termopar correcto y su polaridad debe ser la adecuada.

Resistencia de la guía

Para minimizar la desviación
térmica y mejorar los tiempos de respuesta, los termopares
están integrados con delgados cables. Esto puede causar
que los termopares tengan una alta resistencia, la
cual puede hacer que sea sensible al ruido y también puede
causar errores debidos a la resistencia del instrumento de
medición. Una unión termopar típica expuesta
con 0,25 mm. tendrá una resistencia de cerca de 15 ohms
por metro. Si se necesitan termopares con delgadas guías o
largos cables, conviene mantener las guías cortas y
entonces usar el cable de extensión, el cual es más
grueso, (lo que significa una menor resistencia) ubicado entre el
termopar y el instrumento de medición. Se recomienda medir
la resistencia del termopar antes de utilizarlo.

Descalibración

La descalibración es el proceso de
alterar accidentalmente la conformación del cable del
termopar. La causa más común es la difusión
de partículas atmosféricas en el metal a los
extremos de la temperatura de operación. Otras causas son
las impurezas y los químicos del aislante
difundiéndose en el cable del termopar. Si se opera a
elevadas temperaturas, se deben revisar las especificaciones del
aislante de la sonda.

Ruido

La salida de un termopar es una pequeña
señal, así que es propenso a absorber ruido
eléctrico. La mayoría de los instrumentos de
medición rechazan cualquier modo de ruido
(señales que están en el mismo cable o en ambos)
así que el ruido puede ser minimizado al retorcer los
cables para asegurarse que ambos recogen la misma señal de
ruido. Si se opera en un ambiente extremadamente ruidoso, (Ej:
cerca de un gran motor), es
necesario considerar usar un cable de extensión protegido.
Si se sospecha de la recepción de ruido, primero se deben
apagar todos los equipos sospechosos y comprobar si las lecturas
cambian.

Voltaje en Modo Común

Aunque las señales del termopar son muy
pequeñas, voltajes mucho más grandes pueden existir
en el output del instrumento de medición. Estos voltajes
pueden ser causados tanto por una recepción inductiva (un
problema cuando se mide la temperatura de partes del motor y
transformadores) o por las uniones a conexiones
terrestres. Un ejemplo típico de uniones a tierra
sería la medición de un tubo de agua caliente
con un termopar sin aislamiento. Si existe alguna conexión
terrestre pueden existir algunos voltios entre el tubo y la tierra del
instrumento de medición. Estas señales están
una vez más en el modo común (las mismas en ambos
cables del termopar) así que no causarán
ningún problema con la mayoría de los instrumentos
siempre y cuando no sean demasiado grandes. Voltajes del modo
común pueden ser minimizados al usar los mismos recaudos
del cableado establecidos para el ruido, y también al usar
termopares aislados.

Desviación térmica

Al calentar la masa de los termopares se extrae
energía que afectará a la temperatura que se trata
determinar. Considérese por ejemplo, medir la temperatura
de un líquido en un tubo de ensayo:
existen dos problemas potenciales. El primero es que la
energía del calor
viajará hasta el cable del termopar y se disipará
hacia la atmósfera reduciendo
así la temperatura del líquido alrededor de los
cables. Un problema similar puede ocurrir si un termopar no
está suficientemente inmerso en el líquido, debido
a un ambiente de temperatura de aire más
frío en los cables, la conducción térmica
puede causar que la unión del termopar esté a una
temperatura diferente del líquido mismo. En este ejemplo,
un termopar con cables más delgados puede ser útil,
ya que causará un gradiente de temperatura más
pronunciado a lo largo del cable del termopar en la unión
entre el líquido y el aire del ambiente. Si se emplean
termopares con cables delgados, se debe prestar atención a la resistencia de la
guía. El uso de un termopar con delgados cables conectado
a un termopar de extensión mucho más gruesa a
menudo ofrece el mejor resultado.

3.2.3.4. Termistor

Un termistor es una resistencia
eléctrica que varía su valor en función de
la temperatura. Existen dos clases de termistores: NTC y PTC.

3.2.3.4.1 Termistor NTC

Un Termistor NTC (Negative Temperature
Coefficient) es una resistencia variable cuyo valor va
decreciendo a medida que aumenta la temperatura. Son resistencias
de coeficiente de temperatura negativo, constituidas por un
cuerpo semiconductor cuyo coeficiente de temperatura es elevado,
es decir, su conductividad crece muy rápidamente con la
temperatura.

Se emplean en su fabricación óxidos
semiconductores de níquel, zinc, cobalto,
étc.

La relación entre la resistencia y la
temperatura no es lineal sino exponencial:

, donde A y B son constantes que dependen del
termistor.

La característica
tensión-intensidad (V/I) de un termistor NTC presenta un
carácter peculiar ya que, cuando las
corrientes que lo atraviesan son pequeñas, el consumo de
potencia
(R * I2) será demasiado pequeño para
registrar aumentos apreciables de temperatura, o lo que es igual,
descensos en su resistencia óhmica; en esta parte de la
característica, la relación
tensión-intensidad será prácticamente lineal
y en consecuencia cumplirá la ley de Ohm.

Si seguimos aumentando la tensión aplicada
al termistor, se llegará a un valor de intensidad en que
la potencia consumida provocará aumentos de temperatura
suficientemente grandes como para que la resistencia del
termistor NTC disminuya apreciablemente, incrementándose
la intensidad hasta que se establezca el equilibrio
térmico. Ahora nos encontramos, pues, en una zona de
resistencia negativa en la que disminuciones de tensión
corresponden aumentos de intensidad.

3.2.3.4.2. Termistor PTC

Un termistor PTC (Positive Temperature
Coefficient) es una resistencia variable cuyo valor se ve
aumentado a medida que aumenta la temperatura.

Los termistores PTC se utilizan en una gran
variedad de aplicaciones: limitación de corriente, sensor
de temperatura, desmagnetización y para la
protección contra el recalentamiento de equipos tales como
motores
eléctricos. También se utilizan en indicadores
de nivel, para provocar retardos en circuitos, como termostatos,
y como resistores de compensación.

El termistor PTC pierde sus propiedades y puede
comportarse eventualmente de una forma similar al termistor NTC
si la temperatura llega a ser demasiado alta.

Las aplicaciones de un termistor PTC
están, por lo tanto, restringidas a un determinado margen
de temperaturas.

Hasta un determinado valor de voltaje, la
característica I/V sigue la ley de Ohm, pero la
resistencia aumenta cuando la corriente que pasa por el termistor
PTC provoca un calentamiento y se alcanza la temperatura de
conmutación. La característica I/V depende de la
temperatura ambiente y del coeficiente de transferencia de calor
con respecto a dicha temperatura ambiente.

3.2.4. Sensores de Corriente
Eléctrica

• 1. Inductivos: Transformadores de Corriente.
  El cable a medir pasa por medio de un núcleo
  magnético que tiene bobinado un secundario que
  proporciona una tensión proporcional a la corriente
  que circula por el cable.

• 2. Resistivos: Shunt. Una resistencia provoca
  una caída de tensión proporcional a la
  corriente que circula por dicha resistencia Shunt.

• 3. Magnéticos (Efecto Hall): El sensor
  mide el campo magnético de un núcleo, generado
  por la corriente que circula por el cable a medir, que bobina
  al núcleo.

• 4. Bobina Rogowsky: Miden los cambios de campo
  magnético alrededor de un hilo que circula una
  corriente para producir una señal de voltaje que es
  proporcional a la derivada de la corriente (di/dt).

3.2.4.1 Sensor de Corriente Inductivo

Los transformadores de corriente proporcionan
además de la medida un aislamiento galvánico.

3.2.4.2 Sensor de Corriente Resistivo

Las resistencias "shunt" proporcionan una medición
precisa y directa de la corriente, pero no ofrece ningún
aislamiento galvánico.

3.2.4.2.1 Acondicionador de Señal de un
Shunt

La aplicación típica de un shunt es para medir
la corriente en la red eléctrica para
calcular la potencia o para analizar la calidad de la
red. También se utilizan para sensar la corriente en un
sistema de control de motor por variación de
frecuencia.

3.2.4.2.2 Selección de la Resistencia
Sensor de Corriente (Shunt)

Es importante seleccionar una resistencia "shunt" apropiada de
sensor de corriente; debe tener un valor muy bajo de
resistencia para minimizar la disipación de potencia,
un valor bajo de inductancia y una tolerancia
razonablemente pequeña para mantener una
precisión global en el circuito.

Aunque al bajar el valor de la resistencia sensor de
corriente, disminuye la disipación de potencia,
también disminuye el voltaje de salida a fondo de escala
aplicado. Si la resistencia sensor es demasiada pequeña,
el "offset" de entrada se puede hacer porcentualmente grande a
fondo de escala. Estas dos consideraciones contradictorias
tienen, por lo tanto, que ser sopesadas unas contra las otras en
la selección de la resistencia apropiada para cada
aplicación particular.

En general, hay que seleccionar el valor más bajo de la
resistencia para que no impacte substancialmente a la
precisión global del circuito. Localizada la resistencia
sensor y colocando un amplificador operacional cerca de la misma,
ayudará también a minimizar las interferencias
electromagnéticas y mantener la precisión del
circuito. Aunque es posible adquirir resistencias "shunt" sensor
de corriente a fabricantes como: IRC, Dale, Ultronix, Isotek, y
K-tronics, que son sólo algunos de los proveedores
que fabrican resistencias apropiadas para aplicaciones de sensor
de corriente, es también posible hacer una resistencia
sensor utilizando diversos materiales, incluyendo un trozo de una
pista de circuito impreso.

3.2.4.3 Sensores de corriente por campo
magnético

Otras aplicaciones para los sensores magneto-resistivos de
Philips 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:

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 magneto resistivos de Philips 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).