PA01.- investigar y realizar resumen conceptos básicos sobre transductores y los tipos de sensores.

 Transductor

Los transductores son dispositivos claves en los sistemas de automatización y de control, pues son los que permiten detectar, registrar y transformar diferentes tipos de magnitudes físicas en señales eléctricas. Una línea de producción compleja o una estación diseñada para inspeccionar piezas, por ejemplo, necesariamente requieren incluir transductores confiables y seleccionados con precisión. Si lo que requieres es perfeccionar la detección de presión, temperatura o humedad, conviene que revises los tipos de transductores que existen en el mercado como alternativas y que selecciones el más apropiado para tu operación con ayuda de un experto.

Un transductor define como un dispositivo fundamental en el sistema de control de medidores eléctricos. Actualmente, son muy utilizados en los sistemas de automatización y control para registrar grandes magnitudes. Y no sólo nos estamos refiriendo a las magnitudes más conocidas como son: temperatura y presión; también sirven para registrar caudales o concentración de gases.

Los sensores o transductores, en general, son dispositivos que transforman una cantidad física cualquiera, por ejemplo, la temperatura en otra cantidad física equivalente, digamos un desplazamiento mecánico. En este párrafo nos referiremos principalmente a los sensores eléctricos, es decir aquellos cuya salida es una señal eléctrica de corriente o voltaje, codificada en forma análoga o digital. Los sensores posibilitan la comunicación entre el mundo físico y los sistemas de medición y/o de control, tanto eléctricos como electrónicos, utilizándose extensivamente en todo tipo de procesos industriales y no industriales para propósitos de monitoreo, medición, control y procesamiento.

En un sentido más amplio, el uso de los sensores no se limita solamente a la medición o la detección de cantidades físicas. También pueden ser empleados para medir o detectar propiedades químicas y biológicas. Asimismo, la salida no siempre tiene que ser una señal eléctrica. Por ejemplo, muchos termómetros utilizan como sensor una lámina bimetálica, formada por dos metales con diferentes coeficientes de dilatación, la cual produce un desplazamiento (señal mecánica) proporcional a la temperatura (señal térmica).

De hecho, desde un punto de vista teórico, tanto la entrada como la salida de un sensor pueden ser una combinación cualquiera de los siguientes seis tipos básicos de variables existentes en la naturaleza:

Variables mecánicas.

 Longitud, área, volumen, flujo másico, fuerza, torque, presión, velocidad, aceleración, posición, longitud de onda acústica, intensidad acústica, etc.

Variables térmicas.

 Temperatura, calor, entropía, flujo calórico, etc.

Variables eléctricas.

Voltaje, corriente, carga, resistencia, inductancia, capacitancia, constante dieléctrica, polarización, campo eléctrico, frecuencia, momento bipolar, etc.

Variables magnéticas.

 Intensidad de campo, densidad de flujo momento magnético, permeabilidad, etc.

Variables ópticas.

 Intensidad, longitud de onda, polarización, fase, reflectancia, transmitancia, índice de refracción, etc.

Variables químicas o moleculares.

 Composición, concentración, potencial redox, velocidad de reacción, pH, olor, etc.

Un transductor es un dispositivo utilizado para convertir una señal de un fenómeno físico (temperatura, humedad, sonido, presión, caudal, etc.) en otra señal correspondiente, pero de una naturaleza física diferente. O sea, convierte una señal física de un tipo en otra señal de otro tipo distinto.

Al menos esto es lo que se menciona en la teoría. Sin embargo, en la práctica los transductores convierten señales físicas (temperatura, humedad, sonido, presión, etc.) en una señal eléctrica o viceversa.

• Sensores: dispositivos que reciben una señal de cualquier fenómeno físico y entregan como respuesta una señal eléctrica.
• Actuadores: dispositivos que reciben una señal eléctrica y la transforman en señales físicas de otro tipo.

¿Para qué sirve?

Este dispositivo transforma una magnitud física en una señal eléctrica. Así los medidores pueden detectar magnitudes físicas como: presión, temperatura, humedad, entre otras. Y convertirlas en señales eléctricas cuya interpretación es importante para servicios como pruebas no destructivas.

¿Cómo funciona?

El funcionamiento se basa en energías de entrada y de salida. Las energías de entrada más comunes que recibe son: calor, sonido, y luz. Éstas son transformadas en señales de salida captadas por los medidores. Es así como se puede tener registro de grandes magnitudes físicas en un proceso controlado.

Además de esto, existen parámetros del funcionamiento del transductor que a continuación definiremos:

1. Exactitud. - Se refiere al verdadero valor de la variable a detectar sin errores sistemáticos en la medición. Debe ser lo más alta posible.
2. Precisión. - Al igual que la exactitud, la precisión debe ser lo más alta posible. Este parámetro se define como la existencia o no existencia de una pequeña variación aleatoria en la medición de una variable.
3. Rango de funcionamiento. - Las características fundamentales con las que debe de cumplir este parámetro son: exactitud, precisión y amplitud.
4. Velocidad de respuesta. - Es la capacidad que tiene de responder a los cambios en la variable detectada por un tiempo corto, preferentemente instantáneo.
5. Calibración. - Debe ser aplicada pocas veces o casi nunca. Y cuando se requiera debe ser fácil de calibrar.
6. Fiabilidad. - Este parámetro se mide por las pocas ocasiones en las que el dispositivo de medición falla.

Tipos de transductores

Los transductores se dividen en dos clases principales: sensores y actuadores. A partir de estas clases tenemos distintos tipos de transductores:

1. Electromagnéticos: transforman energía eléctrica en magnética.
2. Capacitivos: utilizados en los medidores industriales, miden la presión con alta precisión.
3. De temperatura: convierten la medición de temperatura en corriente eléctrica.
4. Magnéticos: se definen como dispositivos electromecánicos compuestos por una parte mecánica elástica y un transductor eléctrico que genera una señal.
5. Fotoeléctricos: transforman luz en electricidad.
6. De presión o resistivos: transmiten mediante corrientes con voltaje fijo, un valor de presión medido por un sensor elástico.
7. De fuerza: son capaces de percibir deformaciones provocadas por fuerzas, y convertir estos datos en señales eléctricas.

Transductor de ultrasonido

El ultrasonido es una de las aplicaciones en las que más comúnmente podemos ver en acción un transductor. Se trata de una prueba no destructiva que nos brinda datos sumamente útiles para la gestión de materiales.

El ultrasonido se define como una vibración mecánica que tiene un rango mayor al que puede ser percibido por el oído humano. En este caso, la magnitud detectada es el sonido, que viaja a través del dispositivo y se convierte en una señal eléctrica.

Esta señal es interpretada para determinar medidas a seguir en pruebas no destructivas, como, por ejemplo:

• Determinar el grado de deterioro en materiales metálicos.
• Los daños sufridos en una inmueble tras un sismo o desastre natural.
• Las fallas técnicas en la estructura de un edificio.
• El estado de los materiales de una construcción.

Tipos de sensores

• De contacto
• Ópticos
• Térmicos
• De humedad
• Magnéticos
• De infrarrojos
• Efectos resistivos.
• Efectos capacitivos.
• Efectos inductivos.
• Efectos magnéticos y electromagnéticos.
• Efectos piezoeléctrico y piezoresistivos.
• Efectos térmicos y termoeléctricos.
• Efectos ópticos y electro-ópticos.
• Efectos autorresonantes.
• Efectos químicos y electroquímicos.

Sensores de contacto

Se emplean para detectar el final del recorrido o la posición limite de componentes mecánicos. Por ejemplo: saber cuando una puerta o una ventana que se abren automáticamente están ya completamente abiertas y por lo tanto el motor que las acciona debe pararse.

Los principales son los llamados fines de carrera (o finales de carrera). Se trata de un interruptor que consta de una pequeña pieza móvil y de una pieza fija que se llama NA, normalmente abierto, o NC, normalmente cerrado.

Sensores Ópticos

Detectan la presencia de una persona o de un objeto que interrumpen el haz de luz que le llega al sensor.

Recordemos que se trataba de que resistencias cuyo valor disminuía con la luz, de forma que cuando reciben un haz de luz permiten el paso de la corriente de control. Cuando una persona o un obstáculo interrumpen el paso de la luz, la LDR aumenta su resistencia e interrumpe el paso de corriente por el circuito de control.

Los principales sensores ópticos son las fotorresistencias, las LDR.

Sensores de temperatura

Se trata de resistencias cuyo valor asciende con la temperatura (termistor PTC) o bien disminuye con la temperatura (termistor NTC). Por lo tanto, depende de la temperatura que el termistor permita o no el paso de la corriente por el circuito de control del sistema. El símbolo y la apariencia de termistores:

Los termistores son los principales sensores de temperatura.

Sensores de humedad

Se basan en que el agua no es un material aislante como el aire, sino que tiene una conductividad eléctrica; por esa razón el Reglamento de Baja Tensión prohíbe la presencia de tomas de corriente próximas a la bañera, como veíamos en el tema anterior. Por lo tanto, un par de cables eléctricos desnudos (sin cinta aislante recubriéndolos) van a conducir una pequeña cantidad de corriente si el ambiente es húmedo; si colocamos un transistor en zona activa que amplifique esta corriente tenemos un detector de humedad.

Sensores magnéticos

Detecta los campos magnéticos que provocan los imanes o las corrientes eléctricas. El principal es el llamado interruptor Reed; consiste en un par de láminas metálicas de materiales ferromagnéticos metidas en el interior de una cápsula que se atraen en presencia de un campo magnético, cerrando el circuito. 

Sensores Infrarrojos

Si recordamos el espectro electromagnético estudiado en un tema anterior, existía una franja de ondas electromagnéticas cuya frecuencia es muy baja para que nuestros ojos la detecten; son los infrarrojos.

Existen diodos capaces de emitir luz infrarroja y transistores sensibles a este tipo de ondas y que por lo tanto detectan las emisiones de los diodos. Esta es la base de funcionamiento de los mandos a distancia; el mando contiene diodos que emiten infrarrojos que son recibidos por los fototransistores del aparato.

Efectos resistivos.

Variación de la resistividad o de la conductividad en conductores, semiconductores y aislantes a partir de la magnitud a medir. Ejemplos: sensores resistivos de posición (potenciómetros), esfuerzo mecánico (galgas extensiométricas), temperatura (RTDs, termistores), humedad (humistores), campo magnético(magnetorresistencias), luz (fotorresistencias), concentración de gases (SnO2), etc.

Efectos capacitivos.

 Variación de la constante dieléctrica, la separación entre placas o el área de las placas a partir de la magnitud a medir Ejemplos: sensores capacitivos de desplazamiento, proximidad, presión, nivel, humedad, fuerza, inclinación, etc.

Efectos inductivos.

 Variación de la reluctancia, las corrientes de Foucault o la inductancia mutua a partir de la magnitud a medir. Ejemplos: sensores y detectores inductivos de desplazamiento (LVDTs, resolvers, syncros), velocidad, aceleración, presión, caudal, flujo, nivel, fuerza, etc.

Efectos magnéticos y electromagnéticos.

Producción de voltajes o corrientes inducidas a partir de magnetismo por aplicación o creación de esfuerzos mecánicos (efecto Villan), campos magnéticos intensos (efecto Wiegand), variaciones de flujo magnético (efecto Faraday), campos magnéticos ortogonales (efecto Hall), calor (efecto Ettingshausen), etc. Ejemplos: Sensores magneto elásticos, sensores de efecto Wiegand, tacogeneradores, sensores de velocidad lineal (LVS), caudalímetros electromagnéticos sensores de efecto Hall codificadores magne ticos magnetodiodos etc.

Efectos piezoeléctrico y piezoresistivos.

 Producción de voltajes o corrientes a partir de esfuerzos mecánicos directamente (e. piezoeléctrico) o por variación de la resistencia (e. piezorresistivo). Ejemplos: sensores piezoeléctricos y piezorresistivos de fuerza, torque o par, presión, aceleración, vibración, temperatura, etc.

Efectos térmicos y termoeléctricos.

 Producción de voltajes o corrientes a partir de temperatura, directamente o indirectamente por variación de la resistencia, la aplicación de radiaciones térmicas, etc. La producción directa de señales eléctricas a partir de variaciones de temperatura se conoce como efecto Seebeck y constituye el principio de funcionamiento de las termocuplas o termopares y de las termopilas.

Efectos ópticos y electro-ópticos.

Permiten la producción de señales eléctricas a partir de radiaciones luminosas directamente (e. fotovoltaico) o indirectamente por variación de la resistencia y otros parámetros eléctricos (e. fotoeléctricos). Ejemplos: detectores fotovoltaicos de luz, llama, color y humo, detectores fotoeléctricos de proximidad, fotodiodos, fototransistores, optoacopladores, codificadores ópticos, sensores de imagen CCD, sensores basados en fibras ópticas, etc.

Efectos autorresonantes.

 Permiten la producción de oscilaciones eléctricas a partir de fenómenos físicos resonantes como vibraciones mecánicas, ondas acústicas encuerdas o cavidades, ondas superficiales en líquidos o sólidos, radiaciones nucleares, etc. Ejemplos: resonadores de cuarzo para la medición de temperatura, peso, fuerza y presión; galgas acústicas; sensores basados en cilindros vibrantes, sensores basados en dispositivos de ondas superficiales (SAW), caudalímetros de vórtices, sensores ultrasónicos pan la medición de velocidad, caudal, nivel, proximidad, etc.

Efectos químicos y electroquímicos.

 Producen señales eléctricas en respuesta a cambios de concentración de sustancias o iones. Ejemplos: pilas voltaicas, sensores de oxígeno y otros gases, sensores químicos basados en MOSFFTs (GAS~ETs, OGFETs, ADFETs, 15-FETs), biosensores, etc.

Biblografia:

Santillan, J. L. P. (2018, 14 marzo). Transductores Sensores. Recuperado 14 de septiembre de 2022, de https://www.academia.edu/36165973/Transductores_Sensores