Selección de sensores y transmisores según su resolución

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La última edición de este mensaje fue realizada por ztj1118 el 10-3-2016 a las 16:26. Los sensores y transmisores desempeñan un papel fundamental en los campos de los instrumentos, equipos y automatización industrial. A diferencia de los sensores, los transmisores no solo pueden convertir grandezas no eléctricas en grandezas eléctricas medibles, sino que generalmente también tienen una función de amplificación. Este artículo presenta de manera sencilla las características de los diferentes tipos de transmisores, para que los usuarios puedan elegir el más adecuado. 　　I. Transmisor de temperatura integrado El transmisor de temperatura integrado está compuesto, por lo general, por un sensor de temperatura (un termopar o un sensor de resistencia térmica) y una unidad electrónica de tipo de dos cables. Se utiliza un módulo sólido para instalar directamente la sonda de medición en la caja de conexiones, creando así un transmisor integrado. Integración: Los transmisores de temperatura se dividen, por lo general, en dos tipos: los de resistencia térmica y los de termopar. 　　El transmisor de temperatura a base de resistencia térmica está compuesto por una unidad de referencia, una unidad de conversión R/V, un circuito lineal, protección contra conexión inversa, protección contra sobrecorriente, y una unidad de conversión V/I. Después de la conversión y amplificación de la señal del resistor termorresistivo, un circuito lineal se encarga de compensar la relación no lineal entre la temperatura y la resistencia. A continuación, a través de un circuito de conversión V/I, se obtiene una señal de corriente constante de 4–20 mA, cuya relación es lineal con la temperatura medida. 　　Un transmisor de temperatura con termopar generalmente está compuesto por unidades circuitales como la fuente de referencia, la compensación del extremo frío, la unidad de amplificación, el procesamiento de linearización, la conversión V/I, el manejo de cortocircuitos, la protección contra conexión inversa y la protección contra sobrecorriente. Consiste en amplificar el potencial termoeléctrico generado por el termopar, después de compensar su valor en el extremo frío. A continuación, un circuito lineal se encarga de eliminar los errores no lineales entre el potencial termoeléctrico y la temperatura. Finalmente, se amplifica la señal para obtener una salida en forma de corriente de 4 a 20 mA. 　　Para evitar accidentes causados por la interrupción del funcionamiento del termopar durante las mediciones, lo que a su vez podría impedir el control de la temperatura, el transmisor también cuenta con un circuito de protección contra cortes de energía. 　　Cuando el hilo del termopar se rompe o la conexión es deficiente, el transmisor emite un valor máximo (28 mA) para que el instrumento corte la alimentación. 　　El transmisor de temperatura integrado cuenta con ventajas como una estructura sencilla, ahorro de cables, una señal de salida de alta amplitud, gran resistencia a las interferencias, buena linealidad, un indicador simple, módulos sólidos resistentes a los golpes y a la humedad, protección contra conexiones inversas y protección contra sobrecargas, además de ser fiable en su funcionamiento. 　　La salida del transmisor de temperatura integrado es una señal uniforme de 4～20mA ； Puede utilizarse en combinación con sistemas informáticos o otros instrumentos convencionales. También se pueden fabricar instrumentos de medición resistentes a explosiones o al fuego, según lo solicite el usuario. 　　II. Transmisores de presión Los transmisores de presión, también conocidos como transmisores de diferencia de presión, están compuestos principalmente por sensores para medir la presión, circuitos modulares, indicadores visuales, carcasa y conectores para la conexión con el proceso. Puede convertir las señales de presión de los gases y líquidos recibidos en señales eléctricas estándar de corriente y voltaje, para suministrarlas a instrumentos secundarios como indicadores de alarma, registradores y reguladores, con el fin de realizar mediciones, indicaciones y ajustes en el proceso. 　　El esquema de funcionamiento del transmisor de presión se muestra en la Figura 3. Su principio de medición es el siguiente: la presión del flujo y la presión de referencia actúan respectivamente en los dos extremos del elemento sensible a la presión hecho de silicio integrado. La diferencia de presiones hace que la placa de silicio se deforme ligeramente (la deformación es muy pequeña, de orden de μm). De esta manera, el puente de Wheatstone, fabricado con tecnología semiconductora, genera una señal de voltaje de orden de mV, proporcional a la presión, bajo la acción de una fuente de corriente externa. 　　Debido a la excelente resistencia del material de silicio, tanto la linealidad de la señal de salida como los indicadores de degradación son muy altos. Durante el funcionamiento, el transmisor de presión convierte la magnitud física a medir en una señal de voltaje de orden mV, y esta señal es enviada a un amplificador operacional que tiene un alto factor de amplificación y que permite compensar las fluctuaciones de temperatura. La señal amplificada se convierte, mediante una transformación de voltaje a corriente, en la correspondiente señal de corriente. Posteriormente, se aplica una corrección no lineal, lo que permite obtener finalmente una señal de corriente y voltaje que esté en una relación lineal con la presión de entrada. 　　Los transmisores de presión se pueden dividir, según su rango de medición, en transmisores de presión generales (0,001 MPa a 20 MPa) y transmisores de microdiferencia de presión (0 a 30 kPa). 　　III. Transmisores de nivel
1. Transmisores de nivel de tipo bola flotante
Los transmisores de nivel de tipo bola flotante están compuestos por una bola magnética, un tubo de medición, una unidad de señalización, una unidad electrónica, una caja de conexiones y piezas de montaje. 　　Por lo general, la densidad de las esferas magnéticas es menor que 0.5; por eso pueden flotar sobre la superficie del líquido y moverse arriba y abajo a lo largo del conducto de medición. El interior del conducto está equipado con elementos de medición que, bajo la acción de un campo magnético externo, convierten la señal relacionada con el nivel del líquido en una señal de resistencia proporcional a dichos cambios. Además, estos elementos permiten convertir la señal electrónica en una señal de 4–20 mA o en otra señal estándar. Este transmisor es un circuito modular que cuenta con ventajas como resistencia a los ácidos, a la humedad, a las vibraciones y a la corrosión. Dentro de su circuito se encuentran un circuito de retroalimentación de corriente constante y circuitos de protección internos, lo que permite que la corriente de salida no exceda los 28 mA. De este modo, se puede proteger de manera fiable la fuente de alimentación y evitar que los instrumentos secundarios resulten dañados. 　　2. Transmisor de nivel de tipo flotador. El transmisor de nivel de tipo flotador utiliza un flotador en lugar de una esfera magnética; está diseñado según el principio de la flotabilidad de Arquímedes. Tipo flotante: El transmisor de nivel utiliza la tecnología de sensores de deformación de membranas metálicas para medir el nivel, el límite o la densidad del líquido. Funciona de manera que se pueden realizar las configuraciones habituales mediante los botones en el lugar donde se utiliza. 　　3. Transmisor de presión estática o de nivel de líquido: Este transmisor funciona basándose en el principio de medición de la presión estática del líquido. Por lo general, se utilizan sensores de presión de silicio para convertir la presión medida en señales eléctricas. Estas señales son luego amplificadas por circuitos de amplificación y compensadas por circuitos de compensación. Finalmente, la señal se emite en forma de corriente, ya sea de 4–20 mA o de 0–10 mA. 　　IV. Transmisores de nivel capacitivos
Los transmisores de nivel capacitivos son adecuados para que las empresas industriales puedan realizar mediciones y controlar el proceso de producción. Se utilizan principalmente para la medición continua a distancia y la indicación del nivel de líquidos en medios conductores o no conductores, así como del nivel de sólidos en forma de polvo o gránulos. 　　El transmisor de nivel capacitivo está compuesto por un sensor capacitivo y un circuito de módulo electrónico. Funciona sobre la base de una salida de corriente constante de 4–20 mA, en modo de dos cables. Mediante conversión, también puede emitir señales en modo de tres o cuatro cables. Las señales de salida pueden ser de tipo estándar, como 1–5 V, 0–5 V o 0–10 mA. El sensor de capacitancia está compuesto por electrodos aislantes y un recipiente metálico cilíndrico que contiene el medio de medición. Cuando el nivel del material aumenta, como la constante dieléctrica de los materiales no conductores es claramente menor que la de el aire, la capacidad eléctrica varía a medida que cambia la altura del material. El circuito modular del transmisor está compuesto por elementos como fuente de referencia, modulación de ancho de pulso, conversión, amplificación a corriente constante, retroalimentación y limitación de corriente. Las ventajas de utilizar el principio de modulación por ancho de pulso para las mediciones son: una frecuencia más baja, menor interferencia de radiofrecuencias provenientes de elementos circundantes, buena estabilidad, buenas características de línea y sin desviaciones significativas debido a la temperatura. 　　V. Transmisores ultrasónicos Los transmisores ultrasónicos se dividen en dos categorías: los transmisores ultrasónicos convencionales (sin indicador) y los transmisores ultrasónicos integrados. Los transmisores ultrasónicos integrados son los más utilizados. 　　El convertidor ultrasónico integrado está compuesto por una pantalla de visualización (como un display LCD) y una sonda. Este tipo de transmisor, que emite señales de 4 a 20 mA directamente, combina elementos sensibles de tamaño reducido (la sonda) con circuitos electrónicos, lo que permite que su tamaño sea menor, su peso más ligero y su precio más económico. Los transmisores ultrasónicos pueden utilizarse para el nivel de líquidos. Permite la medición del nivel de los fluidos, así como la medición del caudal en canales y conductos abiertos. También se puede utilizar para medir distancias. 　　VI. Transmisor de acidez con electrodo de antimonio. El transmisor de acidez con electrodo de antimonio es un instrumento de análisis en línea industrial que combina la detección del pH, la limpieza automática y la conversión de señales eléctricas. Se trata de un sistema de medición del valor de pH compuesto por un electrodo de antimonio y un electrodo de referencia. En la solución ácida sometida a pruebas, se forma una capa de óxido de antimonio trióxido en la superficie del electrodo de antimonio. De este modo, se crea una diferencia de potencial entre la superficie metálica de antimonio y el óxido de antimonio trióxido. El valor de esta diferencia de potencial depende de la concentración del antimonio dióxido, la cual está relacionada con la cantidad adecuada de iones de hidrógeno presentes en la solución ácida que se está analizando. Si se considera que los valores de antimonio, trióxido de antimonio y la solución acuosa son todos 1, entonces el potencial eléctrico del electrodo puede calcularse mediante la ecuación de Nernst. 　　El circuito del módulo sólido en los transmisores de acidez para electrodos de antimonio está compuesto por dos partes principales. Por motivos de seguridad en el lugar de operación, la parte de alimentación utiliza corriente alterna de 24 V para suministrar energía a los instrumentos secundarios. Además de suministrar energía al motor de limpieza, esta fuente de alimentación también debe convertirse, a través de una unidad de conversión de corriente, en una tensión continua adecuada, para que pueda ser utilizada por los circuitos de transmisión. La segunda parte es el circuito del transmisor de medición, el cual amplifica la señal de referencia proveniente del sensor, así como la señal de acidez PH. Estas señales son luego enviadas a los circuitos de ajuste de pendiente y de posicionamiento, con el fin de reducir la resistencia interna de las señales y permitir su ajuste. La señal PH amplificada se suma a la señal de compensación de temperatura; posteriormente, ambos valores se envían al circuito de conversión diferencial. Al final, se obtiene una señal de corriente constante de 4–20 mA que corresponde al valor de PH. Esta señal se envía a los instrumentos secundarios para que puedan mostrar y controlar el valor de PH. 　　VII. Transmisores de concentración de ácidos, álcalis y sales. Los transmisores de concentración de ácidos, álcalis y sales determinan la concentración midiendo el valor de conductividad de la solución. Puede detectar de forma continua, en línea, la concentración de ácidos, álcalis y sales en las soluciones acuosas durante los procesos industriales. Este tipo de transmisor se utiliza principalmente en el tratamiento del agua de alimentación de calderas, en la preparación de soluciones químicas y en procesos industriales relacionados con la protección del medio ambiente. 　　El principio de funcionamiento de los transmisores de concentración de ácidos, bases y sales es el siguiente: dentro de un rango determinado, la concentración de las soluciones ácidas o básicas está en proporción directa con su conductividad eléctrica. Por lo tanto, basta medir el valor de la conductividad eléctrica de la solución para conocer el nivel de concentración ácida o alcalina. Cuando la solución a analizar fluye hacia una celda de conductividad especial, si se ignora la polarización de los electrodos y la capacitancia de distribución, se puede considerar como una resistencia pura. Cuando fluye una corriente alterna a presión constante, la corriente de salida está en relación lineal con la conductividad eléctrica. A su vez, la conductividad eléctrica está directamente proporcional a las concentraciones de ácidos y bases en la solución. 　　Por lo tanto, basta con medir la corriente en la solución para poder calcular la concentración de ácidos, bases y sales. 　　Los transmisores de concentración de ácidos, álcalis y sales están compuestos principalmente por una celda de conductividad, un módulo electrónico, un indicador visual y una carcasa. El circuito del módulo electrónico está compuesto por elementos como la fuente de alimentación, la celda de conductividad, el amplificador de conductividad, el rectificador sensible a la fase, el demodulador, mecanismos de compensación de temperatura, protección contra sobrecargas y convertidores de corriente. 　　VIII. Transmisor de conductividad: Es un instrumento de proceso (transmisor integrado) que mide indirectamente la concentración de iones, a través de la medición del valor de conductividad de la solución. Permite detectar de forma continua, en línea, la conductividad de las soluciones acuosas en los procesos industriales. 　　Dado que la solución electrolítica es un buen conductor de electricidad, al igual que los conductores metálicos, cuando la corriente fluye a través de ella, debe haber una resistencia en juego; además, esto se ajusta a la ley de Ohm. Pero las características de resistencia térmica del líquido son opuestas a las de los conductores metálicos, ya que presentan una tendencia negativa con respecto a la temperatura. A diferencia de los conductores metálicos, la capacidad de conducción de una solución electrolítica se expresa mediante la conductividad (el inverso de la resistencia) o la resistividad eléctrica (el inverso de la resistividad). Cuando dos electrodos aislados entre sí forman una celda de conductividad, y se coloca la solución a analizar en su interior, además de aplicarse una corriente alterna a voltaje constante, se crea un circuito eléctrico. Si se mantienen constantes el valor de la tensión y el tamaño de los electrodos, entonces existe una relación funcional entre la corriente que fluye por el circuito y la conductividad. De esta manera, al medir la corriente que fluye a través de la solución a analizar, se puede determinar su conductividad eléctrica. 　　La estructura y el circuito del transmisor de conductividad son los mismos que los de los transmisores de concentración de ácidos, álcalis y sales. 　　IX. Transmisores inteligentes Los transmisores inteligentes están compuestos por sensores y un microprocesador (ordenador de bajo costo). Aprovecha al máximo las capacidades de procesamiento y almacenamiento del microprocesador, pudiendo así tratar los datos provenientes de los sensores. Esto incluye el procesamiento de las señales de medición (como filtrado, amplificación, conversión A/D, etc.), la visualización de los datos, la corrección automática y la compensación automática. 　　El microprocesador es el núcleo de los transmisores inteligentes. No solo puede realizar cálculos, almacenar y procesar los datos de medición, sino que también puede ajustar los sensores a través de circuitos de retroalimentación, con el fin de lograr que los datos recopilados sean de la mejor calidad posible. Dado que los microprocesadores cuentan con diversas funciones de software y hardware, pueden llevar a cabo tareas que resultan difíciles de realizar con los transmisores tradicionales. Por lo tanto, los transmisores inteligentes reducen la dificultad de fabricación de los sensores y, en gran medida, mejoran su rendimiento. Además, los transmisores inteligentes cuentan con las siguientes características: 1. Tienen capacidad de compensación automática; es posible compensar de forma automática la no linealidad del sensor, así como los desviaciones debidas a la temperatura y al paso del tiempo, mediante software. 　　2. Permite el autodiagnóstico: al conectarse a la corriente eléctrica, se puede realizar una verificación automática del sensor, con el fin de comprobar si todas sus partes funcionan correctamente y tomar una decisión al respecto. 　　3. El procesamiento de datos es sencillo y preciso; se pueden procesar automáticamente según los procedimientos internos, como realizar análisis estadísticos o eliminar valores anómalos, entre otras cosas. 　　4. Tiene función de comunicación bidireccional. El microprocesador no solo puede recibir y procesar los datos de los sensores, sino que también puede enviar información de vuelta a los mismos, lo que permite ajustar y controlar el proceso de medición. 　　5. Permite el almacenamiento y la memorización de información; puede guardar datos relacionados con las características de los sensores, información de configuración y parámetros de compensación, entre otros. 　　6. Cuenta con una función de salida a través de interfaces digitales, lo que permite conectar fácilmente las señales digitales generadas a ordenadores o buses de campo, entre otros.