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U.T.3 Sensores y transductores Hoja 1 de 87

U.T.3

SENSORES

Y

TRANSDUCTORES

U.T.3 Sensores y transductores Hoja 2 de 87

U.T.3. SENSORES Y TRANSDUCTORES

1. Definiciones y características generales

1.1. Sensores y transductores. Tipología

1.1.1. Transductor

1.1.2. Sensor

1.1.3. Detectores, captadores y codificadores

1.2. Clasificación de los transductores

1.3. Características generales de los sensores y transductores

2. Tecnología de sensores

3. Sensores y transductores para la medida de diferentes magnitudes físicas

3.1. Galgas extensiométricas

3.2. Transductores de fuerza

3.2.1. Con galgas extensiométricas

3.2.2. Con sensor inductivo

3.2.3. Con sensor piezoeléctrico

3.3. Transductores de vibraciones

3.4. Sensores de temperatura

3.4.1. Detector de temperatura resistivo

3.4.2. Termopares

3.4.2.1.Efecto Seebeck

3.4.2.2.Leyes de los circuitos termoeléctricos

3.4.2.3.Montajes típicos

3.4.3. Termistores

3.4.3.1.NTC

3.4.3.2.PTC

3.4.4. Medida de temperaturas con semiconductores

3.4.4.1.Medida de temperaturas con transistores

3.4.4.2. Sensores semiconductores

4. Transductores de presión

5. Transductores de caudal

5.1. Diafragma

5.2. Tobera o tubo venturi

5.3. Turbina

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5.4. Sonda ultrasónica

5.5. Medidor térmico

6. Transductores de nivel

6.1. Flotador magnético

6.2. Presión diferencial

6.3. Capacitivo

6.4. Ultrasonidos

7. Transductores de velocidad y posición angular

8. Detectores de posición

8.1. Finales de carrera

8.2. Detectores inductivos y capacitivos

8.3. Detectores fotoeléctricos

8.4. Detectores ultrasónicos

9. Medida de desplazamiento con sensores láser

10. Elementos neumáticos

10.1. Presostatos

10.2. Captadores de umbral de presión

10.3. Captadores neumáticos de fuga

10.4. Captadores fluídicos de proximidad

10.5. Detectores paso a paso

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1. DEFINICIONES Y CARACTERÍSTICAS GENERALES

Para poder efectuar medidas de diferentes magnitudes Físicas con sistemas

electrónicos es necesario convertir dichas magnitudes en señales eléctricas (tensión o

corriente). Los transductores son los dispositivos que realizan este tipo de conversión.

Formando parte del transductor se encuentra el sensor o captador, que es el elemento

primario sensible a la magnitud física (galga extensiométrica, pastilla de cuarzo, etc..) En

el sensor se produce una variación de alguna de sus características eléctricas en función

de dicha magnitud física. Esta variación proporciona una primera señal que, general-

mente, precisa ser tratada mediante un circuito electrónico (amplificación, adaptación de

impedancias, filtrado, etc.).

Los captadores pueden ser activos o pasivos. Los primeros son aquellos que actúan

como generadores de señal, es decir, generan señales representativas de las magnitudes

que se van a medir sin necesidad de alimentarlos con una fuente externa (termopares,

célula de carga piezoeléctrica, etc..) Los pasivos sin embargo, deben formar parte de un

circuito que será alimentado con una fuente externa, puesto que son incapaces de generar

señal de forma autónoma (termorresistencia, galga, etc..)

1.1. Sensores y transductores. Tipología

Debido a la confusión existente en cuanto a la nomenclatura utilizada en los

sistemas de medida, primero se muestran una serie de definiciones:

1.1.1 Transductor.

Un transductor es un dispositivo que recibe una señal de una naturaleza y

genera una señal de salida de una naturaleza distinta. Es, por tanto, un dispositivo que

convierte un tipo de energía en otro.

Se pueden encontrar seis tipos diferentes de energía en las señales, para

transmitir información, que son los siguientes:

a. Radiante. Cubre todo el espectro de la radiación electromagnética. Sus

principales parámetros son la frecuencia, la fase, la intensidad y la

polarización.

b. Mecánica. Sus parámetros representativos son la distancia, velocidad,

fuerza, tamaño y par.

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c. Térmica. Cubre los efectos de la temperatura en los materiales, sus

parámetros más representativos serían: conductividad térmica, calor

latente, propiedades de cambio de fase, etc.

d. Eléctrica. Con parámetros como la intensidad, el voltaje, la resistencia o la

capacidad.

e. Magnética. Cubre parámetros tales como la intensidad de campo o la

densidad de flujo.

f. Química. Cubre la estructura interna de la materia e incluye parámetros

como la concentración de material, estructura cristalina o estado de

agregación.

De todos éstos, el dominio principal de las señales de salida del transductor es

la energía eléctrica. Posteriormente se indicará la razón de ello.

No todos los transductores son de medida. Lo que distingue a un transductor

de medida de otro general es que el primero está en contacto con una variable de interés,

convirtiéndola a su salida en otra variable más fácil de tratar y de obtener información.

Se caracterizan porque están diseñados para extraer información de la señal a medir y

porque funcionan en paralelo con el flujo principal de actividad del sistema que produce

esa variable de interés. Con esto, se consigue que la retirada del transductor no afecte a

la actividad del sistema. Por ejemplo, un termistor ve variada su resistencia según la

temperatura del ambiente, pero funciona de manera paralela a la variación de

temperatura, de tal forma que si no existiese el termistor la variación de temperatura

seria la misma.

1.1.2.Sensor.

Se utiliza con un sentido más amplio que el de transductor. Un sensor es un

dispositivo capaz de proporcionar información legible sobre una variable física del

sistema.

El término sensor incluye, por lo tanto, al de transductor, pero puede haber

sensores que no sean transductores. Un ejemplo; un venturímetro en sí, proporciona

diferencias de presiones como variable de salida de la medida de velocidad de un líquido

en una tubería. Es decir, el tipo de señal de entrada (velocidad) y el de salida se

corresponden con un mismo tipo de señales: mecánicas. No ha habido transducción de

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señal alguna y sin embargo se ha realizado una medición. Por lo tanto un transductor

implica una conversión en el tipo de energía de la señal entre la entrada y la salida.

La razón de que la mayoría de sensores/ transductores proporcionen una señal

eléctrica en la salida, se debe fundamentalmente a las siguientes razones:

a. En general y debido a la estructura electrónica de la materia,

cualquier variación de un parámetro no eléctrico en un material

implica una variación de un parámetro eléctrico. El típico ejemplo

es el de la resistividad de un material, que varía con la temperatura

(base del funcionamiento de un termistor).

b. Conviene que la señal de salida sea pequeña, para así extraer la

mínima cantidad posible de energía del sistema. Pero esto implica

que la señal se deba amplificar posteriormente, utilizándose para

ello amplificadores electrónicos de gran ganancia.

c. Existen una gran cantidad de dispositivos eléctricos y electrónicos

que permiten el tratamiento posterior de la señal de salida, incluido

su posible almacenamiento ( en un dispositivo de memoria).

d. La transmisión de señales eléctricas es muy versátil, mucho más

que otros tipos de señales, como por ejemplo las neumáticas o

hidráulicas.

En muchas ocasiones los sistemas de medida, sobre todo de variables

mecánicas, incluyen un sensor primario, que es el que obtiene información sobre la

variable, junto a un transductor, que es en sí el dispositivo que convierte la señal

proporcionada por el sensor en una señal eléctrica. Por ejemplo, en el caso anterior del

venturímetro, el sensor primario sería el que da como salida la diferencia de presiones, y

el transductor podría ser un detector de diferencia de nivel en dos columnas de líquido

que representan las presiones antes y después del venturímetro.

1.1.3. Detectores, captadores y codificadores.

Son otros términos entre los que existe una gran confusión, aquí se presenta

una definición de cada uno de ellos que es la que, poco a poco, se va imponiendo.

Detector. Se entiende como detector todo transductor que proporciona una

señal lógica a su salida. Es decir, que su salida únicamente presenta dos

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valores posibles. El típico ejemplo es el de un detector de presencia, que da

una señal alta o baja según se detecte un objeto o no.

Captador. Es un transductor que a su salida proporciona una señal de tipo

analógico. Por ejemplo, una tensión variable.

Codificador. Es un transductor que proporciona como salida una señal digital

codificada de la información deseada.

1.2. Clasificación de los transductores

Existen muchas formas de clasificar los transductores, cada una de ellas sigue

un criterio distinto. Las más comunes son:

1. Clasificación por aporte de energía:

a. Moduladores o activos: son aquellos cuya fuente de energía es externa y la

variación de la variable a medir realiza una modulación de algún dominio

eléctrico de esta energía. Un ejemplo sería un termistor.

b. Generadores o pasivos. La fuente de energía para proporcionar la salida

proviene de la propia entrada. Un ejemplo son los dispositivos fotoeléctricos,

cuya fuente de energía es la luz que incide sobre ellos (entrada del transductor).

En este caso no es necesario utilizar ninguna fuente de energía exterior al

sistema

2. Clasificación según el tipo de señal de salida:

a. Analógicos. Son transductores que proporcionan una señal de salida eléctrica

analógica. Existen muchos ejemplos conocidos, entre ellos el potenciómetro.

b. Digitales. La señal de salida es una señal eléctrica digital. Por ejemplo, el

encoder de posición.

3. Clasificación según el modo de operación

a. De deflexión. Son transductores en los que la variable o magnitud a medir

provoca algún efecto eléctrico en el transductor, cuantificable y directamente

relacionado con la variable a medir en cuestión. La mayoría de los

transductores son de deflexión. Un ejemplo es un detector capacitivo, en el

que una variación de la distancia entre las placas se traduce en una variación

de la capacidad del mismo.

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b. De comparación. Son transductores en los que se intenta mantener nula la

deflexión mediante la aplicación de un efecto conocido, que se opone al

generado por la magnitud a medir. El ejemplo más típico es el del

servoacelerómetro, en el que la señal de salida corresponde a una corriente

que consigue que la masa que sufre la aceleración se mantenga fija. Es decir,

no se mide el movimiento de la deformación de la masa inercial, sino que se

intenta que ésta se mantenga fija de alguna manera, y la señal que consigue

esto estará relacionada directamente con la aceleración que sufre la masa.

4. Clasificación según el parámetro variable

La clasificación se realiza según el tipo de parámetro que se ve afectado en la

realización de la medida: resistivo, capacitivo, inductivo, etc. Es una clasificación de

los sensores muy ligada a la ingeniería electrónica.

5. Clasificación según la magnitud medida:

La clasificación se realiza según la magnitud que se está midiendo en cada caso:

posición, velocidad, presión, par, etc. Es la clasificación más utilizada junto con la

anterior, y es la propia de la ingeniería de control, donde importa más la aplicación

del sensor que su funcionamiento interno.

1.3 Características generales de los sensores / transductores

Para describir el comportamiento de un sensor o de un transductor, el fabricante hace

referencia a una serie de características, de entre las cuales podemos destacar las

siguientes:

a. Campo de medida: Conjunto de valores de la magnitud medida para los que da

señal de salida el dispositivo con una cierta precisión.

b. Alcance (span): Es la diferencia entre los valores máximo y mínimo del campo

de medida.

c. Sensibilidad: Es la relación entre el incremento producido a la salida del

dispositivo y el incremento de la magnitud aplicado a la entrada. Si el sensor es

lineal, su sensibilidad será constante en todo su campo de medida. Si no lo es

dependerá del punto donde se este efectuando la medida

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d. Curva característica: Es la representación gráfica que relaciona la señal

obtenida a la salida en función de la magnitud de entrada. Lo ideal es que sea

una línea recta (comportamiento lineal) dentro de todo el campo de medida.

Sin embargo, la mayoría de los sensores disponibles tienen un comportamiento

alineal en mayor o menor medida. Este tipo de curva, suministrada por el

fabricante, va a permitir la calibración del dispositivo. Por ello, esta

característica se conoce también como curva de calibración. La calibración

consiste en ajustar algún componente variable del circuito donde está instalado

el sensor para que la salida coincida con la que indica la curva en cada uno de

los puntos del campo de medida. Se hace necesario el uso de aparatos de medi-

da muy precisos, conocidos como patrones, para poder efectuar las medidas

que se tomarán como referencia.

e. Precisión: Cualquier medida tomada con un sensor o transductor va a ser

errónea en mayor o menor medida. El error es la diferencia entre el valor leído

y el valor real dado por la curva de calibración. Este error determina la

precisión del dispositivo, definida como el limite del error cometido. A modo

de ejemplo, si un transductor de presión entrega una señal entre 4 y 20 mA y su

precisión es de + 1% del alcance, el valor real de la salida para una lectura de

12 mA será:

16,012100

42012 ±=−±mA

Es decir, el valor real estará comprendido entre 11,84 mA y 12,16 mA.

f. Resolución: Indica en cuánto tenemos que hacer variar la magnitud que se está

midiendo para que en la salida se aprecie el cambio.

2. TECNOLOGÍA DE SENSORES

La tecnología base del sensor que forma parte de un transductor hace referencia al

fenómeno físico que tiene lugar en la transducción. Las principales son las siguientes:

a. Efecto piezoeléctrico: Ciertos cristales de cuarzo, sometidos a una presión,

experimentan un cambio en su estructura cristalina que modifica su

distribución de carga, manifestándose externamente como una tensión eléctrica

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b. Efecto resistivo: La resistencia eléctrica de un material conductor viene dada

por:

ρls

R =

Si hacemos que varíe la longitud (l), la sección (s) o la resistividad (ρ) en función de

la magnitud a medir se produce el efecto resistivo. Éste se aprovecha, por ejemplo, en

las termorresistencias o galgas extensiométricas.

c. Efecto capacitivo: La capacidad de un condensador depende de la superficie de

las placas conductoras (S), de su separación (d) y del tipo de material

dieléctrico que hay entre placas (constante dieléctrica ε), y viene dada por la

expresión:

d

sC ε=

Haciendo variar alguna de estas características en función de la medida tenemos

el efecto capacitivo. Se aprovecha, como por ejemplo, en ciertos transductores de

presión y en los detectores de proximidad de tipo todo /nada.

d. Efecto inductivo: El coeficiente de autoinducción (L) de una bobina depende

de su forma constructiva (número de espiras, longitud, sección) y de la

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naturaleza del núcleo. Si hacemos que éste cambie de posición en función de la

medida tomada, cambiará el valor de L. Existen en el mercado transductores

para medidas de desplazamientos lineales que aprovechan este fenómeno.

e. Efecto reluctivo: Parecido al anterior, sólo que en este caso se cuenta con

varios bobinados atravesados por un mismo núcleo. Al variar la posición del

núcleo, varía su reluctancia y, con ello, el acoplamiento entre los bobinados. Si

uno de ellos está alimentado por corriente alterna, en los otros se conseguirá

una tensión que es función de dicha reluctancia (Fig. 2.2).

f. Efecto electromagnético: Los dispositivos en los que se da este efecto

convierten la magnitud que se desea medir en una tensión inducida a la salida.

El fenómeno de la inducción se da cuando en un bobinado se hace variar el

flujo magnético que lo atraviesa. Un ejemplo de aprovechamiento del mismo

es la dinamo tacométrica para medida de velocidades.

g. Efecto fotovoltaico: Ciertos materiales semiconductores sensibles a la luz son

capaces de cambiar sus condiciones eléctricas en función de la radiación

incidente. Éste es el caso de los fotodiodos y fototransistores. En combinación

con dispositivos emisores de luz, tales como diodos LED, constituyen barreras

fotoeléctricas que se utilizan en gran número de transductores, como los

encoders o detectores de proximidad.

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h. Efecto termoeléctrico: Si la unión de dos materiales metálicos distintos se

calienta, se genera en los extremos del mismo una tensión que es proporcional

a la temperatura. Este fenómeno es aprovechado por los pares termoeléctricos.

3. SENSORES Y TRANSDUCTORES PARA LA MEDIDA DE

DIFERENTES MAGNITUDES FÍSICAS

3.1.Galgas extensiométricas

Si un cuerpo es sometido a un esfuerzo mecánico, se deforma, experimentando un

alargamiento que es directamente proporcional al esfuerzo aplicado, (Ley de Hooke),

siempre que no se sobrepase el dominio elástico. Es decir si el esfuerzo no es

excesivamente elevado, el cuerpo vuelve a su situación normal cuando el esfuerzo

desaparece. Siendo por tanto la relación entre esfuerzos y alargamientos lineal.

Del estudio de este diagrama se deducen características tecnológicas de gran interés,

pudiendo dividir la curva en tres zonas perfectamente delimitadas por los siguientes

límites:

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a. Límite de proporcionalidad: El esfuerzo σp, donde termina la línea recta se llama

límite de proporcionalidad, y hasta llegar a él, todos los alargamientos son

proporcionales a los esfuerzos aplicados.

b. Límite de elasticidad. La tensión σE, se llama tensión en el límite elástico y

representa el mayor valor que puede alcanzarse sin que se produzcan

deformaciones permanentes. Obsérvese que el límite de elasticidad es inferior al

límite de proporcionalidad, lo que implica que una vez superada la zona, en la

cual las deformaciones son transitorias, el material sigue alargando

proporcionalmente a los esfuerzos aplicados, aunque ya no recupera su forma

original.

c. Límite de fluencia. Si se siguen aumentando os esfuerzo se alcanza una zona en

la que se observa que sin aplicar nuevos esfuerzos el material sigue creciendo, es

decir fluye, de ahí el nombre de límite de fluencia, una vez superado este límite

con pequeños aumentos de esfuerzos, se consigue una gran deformación del

material. Si se siguen aumentando los esfuerzos llega un momento en que se

produce la rotura del material.

La relación lineal entre los esfuerzos y las deformaciones es constante para cada

material, y se conoce como módulo de Young, siendo su expresión:

( )2mNE

εσ=

Consideremos el cuerpo dibujado en la siguiente figura:

Si es sometido a un esfuerzo de tracción en la dirección x, experimentará un

alargamiento es esta dirección:

U.T.3 Sensores y transductores Hoja 14 de 87

E

σε =

En las direcciones y y z se produce un acortamiento, denominado efecto Poisson, que

para los metales más usuales, es aproximadamente:

XZ

Xy

εεεε

3.0

3.0

=

=

Una galga extensiométrica es un sensor cuya resistencia eléctrica varía según sea la

deformación que recibe. Se coloca adherida a la superficie del material de prueba, y

suele estar constituida por un hilo conductor sobre un soporte plano.

Las galgas pueden ser metálicas o semiconductoras. Dentro de las metálicas

encontramos galgas de hilo, como las de la figura anterior, o galgas de película, siendo

en estas últimas el elemento sensible una película metálica recortada formando bucles.

U.T.3 Sensores y transductores Hoja 15 de 87

En las galgas semiconductoras el elemento sensible es una banda de material

semiconductor:

La ecuación característica de una galga es:

l

lK

R

R δδ =

Esta ecuación nos indica que la variación relativa de resistencia es proporcional a la

variación relativa de longitud del hilo conductor, todo ello afectado por una constante de

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proporcionalidad que se conoce como factor de galga ,siendo su valor próximo a 2 en las

metálicas y de entre 50 y 200 en las semiconductoras.

Las formas comerciales en las que se presentan son muy variadas. Pudiendo ser:

a. Uniaxiales, como las vistas hasta ahora

b. Biaxiales, para medir alargamientos en dos o mas direcciones

c. Tangenciales, para medir esfuerzos tangenciales sobre ejes.

Para medir la variación de resistencia de la galga se suele utilizar el puente de

Wheastone

U.T.3 Sensores y transductores Hoja 17 de 87

La tensión marcada por el voltímetro será:

BA VVV −=

Siendo:

21

2

RR

REVA +

=

43

4

RR

REVB +

=

El equilibrio en el puente se conseguirá cuando:

3311 IRIR =

4422 IRIR =

Siendo:

12 II =

34 II =

dado que la tensión V viene dada por la expresión:

U.T.3 Sensores y transductores Hoja 18 de 87

+−

+=

43

4

21

2

RR

R

RR

REV

desarrollando la expresión obtenemos:

( )( )4321

1432

RRRR

RRRREV

++−=

Si se cumplen las condiciones de equilibrio:

4132 RRRR =

Y la tensión en V será por tanto cero, encontrándose el puente en equilibrio.

Si en estas condiciones se produce un desequilibrio en el puente, aumentando o

disminuyendo alguna de las resistencias, la tensión en V registrará estas variaciones. Si

aumenta R4 aumenta VB y disminuye V. Si disminuye R2, disminuye RA y también

disminuye V.

Veamos una aplicación del puente de Wheastone sobre una pieza sometida a tracción

con una sola galga.

U.T.3 Sensores y transductores Hoja 19 de 87

Si la resistencia de la galga en reposo es R, la tensión de salida una vez equilibrado el

puente será cero. Cuando la pieza se somete a un alargamiento, la resistencia de G

aumentará a R+∆R, por lo que la tensión pasará a valer:

RR

RE

RRR

REVVV BA +

−∆++

=−=

R

RE

RR

REV

22−

∆+=

22

E

RR

REV −

∆+=

Dividiendo la primera parte de la expresión por R

22

E

R

RE

V −∆+=

dado que la variación de resistencia es proporcional a la variación de longitud de la galga

multiplicada por el coeficiente de proporcionalidad o factor de galga K:

l

lK

R

R ∆=∆

Sustituyendo:

22

E

l

lK

EV −∆+

=

Cuando mayor sea la deformación ∆l/l, menor será la tensión V.

Como las variaciones de resistencia suelen ser muy pequeñas, la medida puede

verse falseada por efecto térmico, debido a las deformaciones que puede

experimentar la pieza por dilatación o contracción.

U.T.3 Sensores y transductores Hoja 20 de 87

Una forma de compensar este efecto consiste en colocar una segunda galga de

similares características y que este sometida a los mismos efectos que la galga

principal.

Si las dos galgas experimentan un aumento de resistencia por efecto térmico,

pasando a valer R+∆R, la tensión de salida será:

( ) 022

=−=+

−∆+∆++∆+

=−= EER

RR

ERR

RRRR

EVVV BA

3.2.Transductores de fuerza

Para la medida de fuerzas se hace uso de un cuerpo elástico que es sometido a la

acción de la fuerza objeto de estudio, sufriendo una deformación por ello. Si somos

capaces de medir dicha deformación, tenderemos una medida de dicha fuerza.

3.2.1. Con galgas extensiométricas

Estos dispositivos hacen uso de galgas extensiométricas colocadas sobre un elemento

elástico.

En la siguiente figura se muestra la disposición de los elementos principales. Al aplicar

la fuerza F a la varilla A se produce la flexión delas láminas L. En cada lámina hay una

galga, dos en las caras superiores, G1 y G3, y otras dos en las anteriores G2 y G4.

U.T.3 Sensores y transductores Hoja 21 de 87

De manera que la flexión de L2 y L4 hace que su cara inferior sea sometida a tracción,

por lo que las galgas G2 y G4 sufrirán un alargamiento. Por el contrario, la flexión de L1

Y L3 provocan que su cara superior sea sometida a compresión, por lo que G1 y G3 se

acortarán.

El sistema eléctrico que nos encontramos es el siguiente:

La disminución de RG1 da lugar a un aumento de VA, y con ello de V. La disminución

de RG3 da lugar a una disminución de VB y con ello a un aumento de V.

El aumento de RG2 da lugar a una disminución de VB y a un aumento de V.

El aumento de RG4 da lugar a un aumento de VA y de V.

Observamos que la variación sufrida por las cuatro galgas da lugar a incrementos del

mismo signo en la tensión de salida, por lo que la sensibilidad será cuatro veces superior

comparada con un montaje de una sola galga, además este montaje permite compensar

las desviaciones producidas por efectos térmicos, tal y como hemos visto con

anterioridad.

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3.2.2. Con sensor inductivo

Se aprovecha el efecto reluctivo producido por varias bobinas arrolladas sobre un mismo

núcleo. El elemento sensor es un LVDT, transformador diferencial variable y lineal. Su

estructura, símbolo y funcionamiento se muestran a continuación:

Cuando el núcleo está centrado, las tensiones alternas Va y Vb son iguales. Al estar

desfasadas 180º dan lugar a una tensión Vab=0.

Si el núcleo se desplaza hacia la izquierda, la tensión inducida en el bobinado B1

aumentará, mientras la del bobinado B3 disminuirá en la misma medida. El resultado es

una tensión Vab, tanto mayor cuanto mayor sea el desplazamiento.

Si el desplazamiento es en sentido contrario, Va disminuye y Vb aumenta, dando lugar a

una tensión Vab similar a la anterior pero desfasada 180º.

La tensión alterna Vab debe ser rectificada y convertida en un nivel de continua que sea

proporcional al desplazamiento.

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Un transductor de fuerza puede tener una estructura como la siguiente:

Se trata de un cuerpo elástico acoplado al LVDT, cuando se ejerce una fuerza F sobre el

mismo, se produce un desplazamiento, y el LVDT lo convierte en tensión.

3.2.3. Con sensor piezoeléctrico.

Se forma con anillos de cristales piezoeléctricos situados entre piezas metálicas que

reciben la fuerza que se va a medir. La compresión de los anillos provoca la

aparición de una carga eléctrica que es una medida de dicha fuerza.

Los sensores piezoeléctricos presentan una impedancia de salida muy elevada, sobre

todo trabajando en bajas frecuencias. Se hace necesario utilizar amplificadores de carga

para adaptar la señal obtenida al dispositivo de medida. Dicho amplificador consiste

básicamente en un integrador del que en temas posteriores describiremos el

funcionamiento.

U.T.3 Sensores y transductores Hoja 24 de 87

Con este sistema, la carga Qc generada en el cristal produce una corriente de

integración I que carga el condensador C con la misma Qc dando lugar a una tensión de

salida:

C

QV C

S −=

3.3. Transductores de vibraciones

Las vibraciones son movimientos armónicos de un cuerpo alrededor de su

punto de equilibrio. En este movimiento habrá un desplazamiento, una velocidad y una

aceleración.

Un acelerómetro piezoeléctrico es un transductor capaz de medir las

aceleraciones y deceleraciones de dicho movimiento. En la Figura 2.19 se muestra,

esquemáticamente, uno de estos dispositivos.

Uniendo la base del acelerómetro firmemente al punto donde queremos medir

la vibración, el movimiento de la base se transmite a la masa de inercia y la fuerza

generada deforma el cristal, dando lugar a una tensión variable que es una medida de la

aceleración de dicho punto (F = M a, siendo M la masa de inercia conocida).

Mediante el resorte se "polariza mecánicamente" el cristal, sometiéndolo a una

deformación inicial. A esta deformación se superpone, en un sentido u otro, la debida a

la aceleración medir.

U.T.3 Sensores y transductores Hoja 25 de 87

3.4. Sensores de temperatura

La medida de temperatura es una de las más usuales en los procesos industriales. Existen

actualmente diversos procedimientos eléctricos para conseguir dicha medida y en los

siguientes subapartados se analizan los más destacables.

3.4.1. Detector de temperatura resistivo

La resistencia eléctrica de un material conductor depende de la temperatura a la

que está sometido. El grado de esta dependencia nos lo da su coeficiente de temperatura,

que expresa la variación de resistencia a una temperatura determinada por cada grado de

variación de la temperatura. Para los conductores usuales la ley de variación es lineal y

responde a la siguiente ecuación:

( )tRR O α+= 1

R0 = resistencia a 0ºC

R = resistencia a t ºC

α = coeficiente de temperatura

t = temperatura

Los materiales generalmente empleados son el platino, níquel y cobre. El platino

es el material más adecuado por su precisión y estabilidad, pero es de elevado coste. La

sonda de platino que normalmente se utiliza en la industria tiene una resistencia de 100Ω

a 0ºC, de ahí que también reciba el nombre de PT1OO.

La siguiente tabla muestra las características principales de estos tres materiales

MATERIAL Platino Níquel Cobre

α 392*10-5Ω/ΩºC 63*10-4Ω/ΩºC 425*10-4Ω/ΩºC

ρ 9.38*10-8Ωm 6.38*10-8Ωm 1.56*10-8Ωm

T de utilización -200 a 950ºC -150 a 300ºC -200 a 120ºC

R de la sonda a 0ºC 100 Ω 100Ω 10Ω

Precisión 0,01ºC 0,5ºC 0,1ºC

U.T.3 Sensores y transductores Hoja 26 de 87

Existen diversos tipos de sondas termométricas. La forma más usual es el

captador de bulbo, que consiste en una vaina metálica protectora que contiene el hilo

conductor y un material de sellado a través del cual salen los terminales.

La variación de resistencia de las sondas se suele medir mediante un puente de

Wheatstone (Fig. 2.21). A 0ºC el puente deberá estar equilibrado, es decir, se debe

cumplir:

321 RRRRX =

En estas condiciones Vs = 0. Para temperaturas por encima de 0ºC, Rx aumenta

y esto provoca una disminución de VA, que da lugar a un aumento de VS, ya que VS = VB

– VA.

Para temperaturas bajo cero, la VS será negativa.

El montaje anterior tiene un inconveniente, y es que los conductores a y b, que

van desde el punto de medida hasta donde se encuentra el puente, presentan una

resistencia que también variará con la temperatura, dando lugar a una medida falsa,

puesto que este incremento se añadirá al de Rx, por el hecho de estar en serie con la

misma.

El problema se resuelve haciendo uso de una sonda con posibilidad de

conexión a tres hilos. Su conexión al puente es como indica la Figura 2.22. Podemos

observar que la rama del puente donde está R3 queda formada por R3 y los conductores a

y c. La rama donde está Rx quedará formada por Rx y los conductores b y c. Cualquier

variación de resistencia se producirá por igual en a, b y c, quedando compensada la

U.T.3 Sensores y transductores Hoja 27 de 87

variación de una rama con la de la otra, ya que sus efectos sobre la salida son contrarios

(si aumenta R3, disminuye VS; si aumenta Rx, aumenta VS).

3.4.2. Termopares

3.4.2.1. Efecto Seebeck.

Thomas Seebeck descubre en 1821 el fenómeno de la termoelectricidad, que

puede resumirse diciendo que cuando dos hilos de diferentes metates se unen

metalúrgicamente en sus extremos ., y las uniones están a distinta temperatura, se

establece entre ellas una corriente eléctrica función de la diferencia de temperaturas,

como muestra la figura,

U.T.3 Sensores y transductores Hoja 28 de 87

Si los dos hilos se abren por la mitad, entre los extremos de cada par resultante aparece

una tensión que es función de la composición física de los dos metales y de la

temperatura de la unión. La tensión que aparece es, en realidad, función de la

diferencia de temperatura entre las dos uniones de los cables, por lo que la medida de

temperatura con termopares es una medida diferencial, como muestra la figura.

El efecto Seebeck es el que se utiliza para la medida de temperaturas,

denominándose termopar al conjunto formado por dos hilos de materiales diferentes y a

su unión. Por tanto, un termopar se compone de dos metales distintos unidos

firmemente por un extremo (Fig. 2.23).

Si las temperaturas de la unión de medida y la unión de referencia son

distintas, se establece una corriente eléctrica (efecto Seebeck), debido a la aparición de

una pequeña diferencia de potencial en dicha unión. Según vemos, el termopar es un

U.T.3 Sensores y transductores Hoja 29 de 87

sensor diferencial, puesto que genera tensión sólo si existe diferencia de temperatura

entre las uniones.

Conviene tener en cuenta que simultáneamente se presenten otros dos efectos.

El efecto Peltier y el efecto Thomson, pasemos a describir ambos efectos:

• El efecto Peltier, descubierto por este en 1834, consiste en

que, si una corriente eléctrica atraviesa la unión metalúrgica

de dos metales distintos en un sentido, la unión se enfría

(sumidero térmico) al absorber calor del medio que le rodea

y, si se invierte el sentido, la unión se calienta (fuente

térmica). El calor absorbido o cedido Por la unión es

proporcional a la corriente y al tiempo de paso de esta,

expresándose en la forma siguiente:

IdtdQ π=

Donde:

Q es el calor de Peltier

π es el coeficiente de Peltier, llamado también tensión de

Peltier

I la corriente que atraviesa la unión metalúrgica

dt el intervalo de tiempo en que se ha absorbido o cedido la

cantidad de calor dQ.

El valor y signo de π dependen únicamente de la pareja de

materiales y de la temperatura de la uni6n, estando

relacionados con el valor del coeficiente Seebeck. Este

efecto se utiliza en la practica como bomba de calor o de

frío cambiando la polaridad de la fuente de tensión. Los

materiales utilizados para construir los "módulos Peltier"

son de tipo semiconductor, hay que recordar que este

efecto siempre esta presente cuando existen gradientes de

temperatura elevados.

U.T.3 Sensores y transductores Hoja 30 de 87

• El efecto Thomson es el que produce una corriente eléctrica

que circu1a por un conductor, entre cuyos extremos existe

una diferencia de temperatura generando diferentes efectos

térmicos según lo haga en el sentido del gradiente térmico o

en el sentido contrario. Matemáticamente se define este efecto

por la expresión:

IdTdtdQ π=

donde:

dQ es la cantidad de calor absorbida o disipada durante el

tiempo dt por el elemento de conductor entre cuyos

extremos existe una diferencia de temperatura dT y por el que

circu1a uno corriente I. El coeficiente π de proporcionalidad

recibe el nombre de coeficiente de Thomsom y su magnitud y

signo dependen del material y de la temperatura, siendo sus

dimensiones las de un voltaje.

3.4.2.2. Leyes de los circuitos termoeléctricos

Por su aplicación práctica se describen. a continuación las tres leyes conocidas

como de 1os circuitos termoeléctricos. Las leyes se presentan sin demostración y son

las siguientes:

a. Ley de los materiales homogéneos:

Es imposible establecer una corriente eléctrica de origen térmico en un

circuito constituido por un material homogéneo mediante la aplicación a dicho circuito

de un gradiente de temperatura. Por circuito homogéneo se entiende el constituido por

U.T.3 Sensores y transductores Hoja 31 de 87

un único material con idénticas propiedades en todos sus puntos no importando que la

sección transversal no se mantenga constante.

b. Ley de los materiales intermedios.

La suma algebraica de las tensiones termoeléctricas de Seebeck en un

circuito compuesto por un número cualquiera de materiales distintos es nulo si todos los

puntos del circuito están a la misma temperatura

Dos consecuencias de esta ley son importantes en la práctica.

b.1. Un tercer material homogéneo M3, puede ser introducido

en un circuito formado por los materiales M1 y M2 sin que varíe la

tensión termoeléctrica V resultante, con tal que los extremos de M3 estén

a la misma temperatura. Esto permite introducir un aparato de medida en

el circuito sin perturbar la tensión termoeléctrica con la condición de que

las bornas, del aparato estén a la misma temperatura.

b.2. Si se conocen las tensiones termoeléctricas de Seebeck de

dos materiales Ml y M2, respecto a un tercero M3, que se toma como

referencia, la tensión termoeléctrica de la pareja de los materiales M1 y

M2, es la suma algebraica de las tensiones termoeléctricas respecto de

M3.

c. Ley de las temperaturas intermedias.

Si dos materiales distintos Ml y M2, generan una tensión termoeléctrica

V1 cuando las uniones están a temperaturas T1 y T3 y otra V2 cuando están a

temperaturas T2 y T3. La tensión termoeléctrica generada cuando las uniones están a

temperaturas T1 y T3 es igual a V1+V2, como muestran las figuras siguientes:

U.T.3 Sensores y transductores Hoja 32 de 87

Consecuencia de esta ley es la posibilidad de utilizar un termopar equilibrado para una

temperatura de referencia dada, con otra temperatura de referencia distinta, sin mas que

sumar o restar al valor de la tensión termoeléctrica medida el de la correspondiente a la

diferencia entre temperaturas de referencia.

3.4.2.3. Montajes típicos

Un montaje típico de termopares es el de la figura 2.24.

Existen dos uniones AB, sometidas a diferentes temperaturas, y sus conexiones

son tales que los terminales de salida son del mismo metal (A en este caso). Siendo T1 y

T2 las temperaturas de dichas uniones, la tensión VS será:

)2()1()2()1( TABTABTBATABS VVVVV −=+=

U.T.3 Sensores y transductores Hoja 33 de 87

VAB(Tl) y VAB(T2) son las diferencias de potencial generadas entre los metales A y

B a la temperatura T1 y T2, respectivamente.

Si sometemos TP2 a una temperatura fija de referencia la tensión Vs será una

medida de la temperatura T1 relativa a dicha referencia.

Los termopares se clasifican atendiendo a los tipos de materiales que forman la

unión. La siguiente tabla muestra las características fundamentales de los termopares

más usuales, junto con su denominación.

Composición

Tipo

Intervalo de medida f.e.m. mV/ºC

Cromel –constantan E -200 a 800ºC 0.059

Cobre- Constantan T -200 a 350ºC 0.039

Hierro - Constantan J -40 a 750ºC 0.050

Cromel - Alumel K -200 a 1200ºC 0.039

Pt-Rh 6%/Pt-Rh 30% B 600 a 1700ºC 0.0004

Pt-Pt/Th 13% R 0 a 1600 ºC 0.005

Pt-Pt/Rh 10% S 0 a 1600ºC 0.005

Debemos destacar que la temperatura o de un termopar, o de cualquier sensor, tarda un

cierto tiempo en reaccionar ante una variación de temperatura. El tiempo de respuesta

del termopar depende de la masa del mismo, del calor específico, del coeficiente de

transferencia de calor de un extremo a otro y del área de contacto entre el termopar y el

material que se mide, estos factores se relacionan en la ecuación:

kA

mctc =

donde:

tc constante de tiempo térmica

m masa del sensor en gramos

c calor específico en cal/gºC

k coeficiente de transferencia de calor en cal/c-sºC

A área de contacto entre el sensor y la muestra

U.T.3 Sensores y transductores Hoja 34 de 87

Cuando la temperatura varía rápidamente, la temperatura de un termopar en cualquier

instante se puede calcular mediante la expresión:

( ) ctt

eTTTT−

−=− 212

Siendo:

T Temperatura del termopar T1 temperatura inicial

T2 temperatura final tc Constante de tiempo del termopar

t tiempo desde el inicio

podemos poner el tiempo desde el inicio como:

−−−=

21

2lnTT

TTtt c

U.T.3 Sensores y transductores Hoja 35 de 87

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En cuanto a su forma constructiva, la mas habitual consiste en una vaina metálica en

cuyo interior se encuentra el termopar.

El termopar también puede estar al aire, en cuyo caso la respuesta en el tiempo será

,mucho más rápida.

A continuación se muestran las formas constructivas mas usuales:

U.T.3 Sensores y transductores Hoja 38 de 87

a: Soldadura en los extremos

b: soldadura en perla

c: soldadura en paralelo

d: soldadura de hilos cruzados

e: hilo arrollado

f: hilo trenzado

Las uniones de los termopares pueden disponerse de forma que queden aisladas o

bien conectadas a la vaina, tal como apreciamos en la siguiente figura:

Las constantes de tiempo menores se obtienen con termopares de unión expuesta

soldada en los extremos.

En instalaciones industriales se suele utilizar un solo termopar para efectuar la

medida, de la siguiente forma:

U.T.3 Sensores y transductores Hoja 39 de 87

El termopar AB se conecta a través de unos conductores de metal C al

instrumento de medida cuyos bornes son de un metal D. La zona donde está el

instrumento de medida está sometida a una temperatura T1, donde se realizan las cone-

xiones al termopar a una T2 y el punto de medida a una TM. La diferencia de potencial

medida vendrá dada por la siguiente expresión:

)2()(

)2()2()2()2()()1/)2()()2()1/

TABTMABM

TCTBTATCTMABTCDTBCTMABTCATDCM

VVV

VVVVVVVVVVV

−=

−+−+=++++=

Tenemos, de esta forma, una medida de la temperatura TM relativa a la

temperatura ambiente T2 del punto de conexión del termopar. Si la diferencia de

temperaturas entre TM y T2 es muy grande y los cables de prolongación C del termopar

son los adecuados para que las tensiones VAC(T2) Y VBC(T2) sean muy parecidas la tensión:

VAB(T2) = VAC(T2) – VB(T2)

será lo suficientemente pequeña como para despreciarla frente a VAB(TM) y

considerar a VM como una medida absoluta de la temperatura.

Si buscamos más precisión es posible realizar el montaje de la Figura 2.27.

Consiste en utilizar conductores de conexión entre termopar y aparato de

medida de la misma naturaleza A y B que este último.

La tensión de medida será:

)1()()1()1()1()1/)()1()()1 TABTMABTDTBTATDTMABTBDTMABDATM VVVVVVVVVVV −=−+−+=−+=

La medida es relativa , en este caso, a la temperatura donde se encuentra el

instrumento medidor, que siempre podrá ser más fácilmente estabilizada. Este tipo de

conexión se denomina termopar prolongado.

U.T.3 Sensores y transductores Hoja 40 de 87

Si deseamos que la medida no se vea afectada por los cambios de temperatura en el

exterior del punto donde se toma la misma, se puede recurrir a circuitos compensadores.

El circuito proporciona una tensión Vc que depende de la señal entregada por le sensor,

es decir dela temperatura T2, en estas condiciones la tensión de medida será:

CTABTMABTCDCTBCTMCATDCM VVVVVVVVV +−=++++= )2()()1()2()()1(

Si Vc varía de la misma forma que VAB(T2), conseguiremos la compensación que se

pretendía.

U.T.3 Sensores y transductores Hoja 41 de 87

Cuando T2 aumente, aumentará la resistencia PTC, y con ello la tensión Vc, al disminuir

T2, disminuirá Vc. La resistencia R2 permite linealizar el comportamiento de la PTC.

3.4.3. Termistores

Una característica conocida de los semiconductores es su disminución de la resistencia

eléctrica al aumentar la temperatura. Un termistor es un semiconductor con un elevado

coeficiente de temperatura, por lo que experimenta cambios muy elevados de resistencia

frente a cambios térmicos. Los termistores pueden ser de dos tipos:

• NTC: coeficiente negativo de temperaturas

• PTC: coeficiente positivo de temperaturas

Pasemos a estudiar en primer lugar los termistores NTC.

3.4.3.1. NTC

Las NTC son resistencias constituidas por materiales seleccionados para que los

efectos antes mencionados sean particularmente intensos.

El termistor NTC es un elemento valioso en circuitos en los que se precisa que el

va1or de la de la resistencia sea dependiente de la temperatura.

Se fabrican a partir de óxidos semiconductores de los metales de transición del

grupo del hierro, como Cr, Mn, Fe, Co o Ni. La resistencia específica de estos óxidos en

estado puro es muy elevada, pero se transforman en conductores al añadirles pequeñas

cantidades de otros iones de distinta valencia.

a. Óxido Férrico: Fe2O3 con sustitución de algunos de sus iones Fe3+

con 1os de Ti++. Para que el óxido resultante siga siendo

e1ectricamente neutro, se compensan estos iones con una cantidad

igual de iones Fe2+. A bajas temperaturas, estos iones permanecen

junto con los con los Fe3+ en las proximidades de los Ti4+, pero al

aumentar la temperatura abandonan gradualmente estas posiciones y

contribuyen a la conductividad. En este caso tenemos un

semiconductor del tipo N.

b. Oxido de Níquel o de cobalto, NiO o CoO, con sustitución parcial de

iones Ni2+ o Co2+ con iones Li1+. Estos últimos se compensan con

iones Ni3+ o Co3+. A bajas temperaturas, los llamados los llamados

U.T.3 Sensores y transductores Hoja 42 de 87

huecos los iones trivalentes están situados cerca de los iones extraños

y se mueven entre los del cristal a medida que va aumentando la

temperatura . Estas partículas cargadas positivamente, son portadoras

de cargas móviles y el material que las contiene es un semiconductor

del tipo P.

A veces se añaden óxidos estabilizadores para conseguir mejor

reproducción delas características. El empleo de uno u otro de estos

materiales depende del coeficiente de temperatura y de la resistencia

específica que se desea obtener.

En ambos casos, la conductividad de estos materiales puede expresarse de

la siguiente forma:

µα ne=

donde:

e es la unidad de carga eléctrica

n la concentración de portadores de carga

µ la movilidad de los portadores de carga

n y µ dependen de la temperatura.

Para n, la dependencia de la temperatura es exponencial, de acuerdo con la Ley de

Boltzman:

= KTq

en1

α

Donde q1esta relacionado con la energía electrostática de los portadores de carga con los

iones extraños.

Esta dependencia exponencial de n con la temperatura, trae consigo una dependencia

exponencial de estos materiales con la temperatura, siguiendo la expresión:

T

BeRR ∆= 0

Siendo B una constante para cada material.

U.T.3 Sensores y transductores Hoja 43 de 87

La expresión anterior también la podemos expresar como :

= 0

11

0TT

B

T eRR

Siendo T la temperatura absoluta de medida, R0 la resistencia de la NTC a la temperatura

T0 y B la constante propia del termistor.

En la siguiente figura podemos observar como varía la resistencia de la NTC en función

de la temperatura para diferentes valores de B

El margen de temperaturas de trabajo está comprendido entre –260ºC y 300ºC, su

sensibilidad es del orden de los KΩ/ºC y la precisión absoluta de ± 0,001ºC.

Para utilizar una NTC como termómetro se pueden hacer uso de diferentes circuitos,

siendo el siguiente el más simple de todos:

Como podemos apreciar, consiste en un divisor de tensión, siendo la salida igual a:

U.T.3 Sensores y transductores Hoja 44 de 87

TS RR

RVV

+=

Si sustituimos RT, por su expresión, dado que es una NTC, nos quedará:

+

=0

11

0TT

BS

eRR

RVV

La variación de Vs en función de la temperatura la podemos observar en la siguiente

figura:

Observarnos que cuando la temperatura aumenta mucho, la resistencia de la

NTC baja tanto que su valor frente a R se puede despreciar y VS se hace casi igual a V.

Sin embargo, dentro del margen entre T1 y T2, el circuito tiene un comportamiento casi

lineal. Este margen de temperaturas depende del valor del R1 y de la NTC elegida. La

tensión de alimentación V determina la sensibilidad del circuito, aunque no puede ser

excesivamente elevada para evitar el autocalentamiento de la NTC y con ello la falta de

precisión.

Otro posible circuito termométrico es el montaje en puente. La tensión VS será

la del circuito anterior, restándole la caída en Rl. Por ello, ajustando el valor de R2

podremos ajustar el cero de la escala entre T1 y T2.

U.T.3 Sensores y transductores Hoja 45 de 87

3.4.3.2. PTC

Las PTC, resistencias con coeficiente positivo de temperatura, se caracterizan

porque a una cierta temperatura, propia del componente elegido, sufren un cambio

brusco en el valor de resistencia.

Por debajo de Tc, la resistencia es baja (aproximadamente 100Ω), mientras

que por encima de Tc es muy alta (algunos MΩ). La temperatura crítica Tc está

comprendida, según modelo, entre -50 0C y 140 0C.

Los termistores PTC se utilizan, generalmente, como elementos detectores y

de protección, puesto que el estrecho margen de temperaturas, alrededor de Tc, en los

que varía su resistencia impide su uso como dispositivo de medida. En la Figura 2.37 se

muestra un sencillo circuito en el que la tensión VS es prácticamente 0 para T < Tc y V

para T > Tc (detector de temperatura umbral).

U.T.3 Sensores y transductores Hoja 46 de 87

3.4.4. Medida de temperatura con semiconductores.

La utilización de los semiconductores en la medida de temperaturas, viene

limitada por su pequeño rango admisible (-55 a 155ºC), necesitando alimentación

exterior y compensación por el error introducido por el propio calentamiento.

Como ventajas pueden citarse, alta sensibilidad, gran linealidad, pequeño

tamaño, no necesitar un montaje eléctrico especial y menor coste que los

termopares.

Su principio de funcionamiento se basa en la sensibilidad que presentan las

uniones P-N a la temperatura.

3.4.4.1.Medida de temperatura con transistores.

El transistor bipolar funcionando como diodo, polarizado en directo (diodo

colector base cortocircuitado) con corriente constante. es el primer dispositivo

semiconductor empleado en la medida de temperaturas, utilizando la variación

lineal de la tensión base emisor con la temperatura.

La comercialización de transistores bipolares especialmente diseñados para

trabajar como transductores de temperatura, han hecho posible el encontrar otra

alternativa en la medida de temperatura.

Utilizando el transistor bipolar como transductor de temperatura, se comercializan

aparatos denominados "Sonda de temperatura”, con un área de contacto térmico de

unos cuatro milímetros cuadrados, obteniéndose un coeficiente de temperatura de 1

mV/ºC, con una precisión de ±1ºC o ±2ºC, según el modelo, en un margen de 0 a

U.T.3 Sensores y transductores Hoja 47 de 87

100ºC, especificándose como limites de funcionamiento de -40 a 150ºC. La

principal ventaja de estas sondas de temperatura reside en su gran sensibilidad, de

modo que utilizando un voltímetro digital de 3 1/2 dígitos con escala de 200 mV,

se puede obtener una resolución de 0,1ºC, en todo el margen de temperaturas.

Sus inconvenientes derivan de la influencia en la precisión de la vida de la pila que

alimenta al circuito.

Mostramos a continuación un circuito medidor basado en este principio.

3.4.4.2. Sensores Semiconductores.

Un ejemplo de sensor de este tipo es el circuito integrado LM35, cuyo patillaje

y aspecto mostramos en la figura adjunta.

U.T.3 Sensores y transductores Hoja 48 de 87

La tensión de salida es proporcional y varía linealmente con la temperatura

expresada en grados centígrados. El LM35 no precisa calibración externa y proporciona

precisiones de ±1/4 ºC a ± 3/4ºC, según el rango de temperaturas en el que se le haga

trabajar. Se puede utilizar con alimentación asimétrica o simétrica y el consumo es

menor de 60 µA, lo que produce un autocalentamiento menor dc 0,10C. El LM35 está

ajustado para trabajar entre-55ºC y 150 0C, mientras que el LM35C lo está para trabajar

entre 40 0C y 110 0C. las características más destacables son:

Calibrado directamente en grados centígrados.

Factor de escala lineal de valor 10 mV 1 0C.

Rango de alimentación de 4 a 30 V.

Baja impedancia de salida.

El LM35 puede pegarse a la superficie cuya temperatura se desea medir y en el

caso en que su encapsulado sea metálico se podría soldar a una superficie o conducto

metálico, tal como una tubería. Otra posibilidad consistiría en montarlo en el interior de

un tubo de metal sellado para ser introducido posteriormente en un tanque con líquido,

teniendo la precaución de que esté perfectamente aislado.

Las conexiones típicas del LM35 se muestran en la Figura siguiente. En (a) se

utiliza como sensor entre 2 0C y 130 0C, entregando una señal de salida V0 = 0mV + 10

mV/ 0C.T. En (b) se utiliza como sensor dentro del rango completo desde -55 0C a 150 0C. La resistencia Rl se debe elegir de valor:

A

VR S

µ501 −=

La tensión de salida variará entre -550mV y 1500 mV

U.T.3 Sensores y transductores Hoja 49 de 87

4. TRANSDUCTORES DE PRESION

La presión se define como la fuerza ejercida por unidad de superficie. Las unidades más

utilizadas son el Pascal (1N/m2), el Kg/cm2, el psi (libras por pulgadas cuadradas) y el

bar. Siendo las equivalencias siguientes:

1psi= 7142 Pa

1kg/cm2=98100 Pa

1 bar= 100000 Pa

Las medidas de presión pueden ser:

Presión absoluta: Presión medida con referencia al cero absoluto.

Presión relativa: Presión medida con referencia a la presión

atmosférica. Ésta es la más habitual por ser más fácilmente

realizable.

Presión diferencial: Diferencia entre dos presiones.

Existen diferentes procedimientos para convenir la presión en una señal

eléctrica, de los cuales destacamos los siguientes;

Resistivo: La presión aplicada hace moverse el cursor del potenciómetro. Si se

conecta a un circuito en puente u otro similar y posteriormente se procesa la señal

obtenida mediante un circuito amplificador tendremos el transductor completo.

Este sistema presenta el inconveniente de que el rozamiento del cursor da lugar a un

freno, lo que impide su utilización para presiones bajas.

U.T.3 Sensores y transductores Hoja 50 de 87

La precisión alcanzada con estos dispositivos puede estar entre el 1% y el 2,5% y las

gamas de presiones abarcan desde (0 a 0,1 kg/cm2 )y (0 a 300 kg/cm2).

Inductivos: La cápsula tiene un aspecto similar al resistivo. El movimiento del

núcleo de una bobina hace que varíe el valor de su coeficiente de autoinducción. La

bobina debe conectarse a un circuito alimentado en alterna que permita obtener una

señal eléctrica que sea función del valor de L y, por tanto, de la presión.

En estos transductores no existe rozamiento y la precisión es del orden del 1%.

En cuanto a los rangos suelen tener unas gamas que van desde los 50 g/cm2 hasta los

1.000 kg/cm2.

Una variante de estos transductores son los reluctivos. Consisten en un

electroimán con una de las armaduras del circuito magnético movida por efecto de la

presión. Al mover esta armadura cambia la reluctancia del circuito magnético. Si

alimentamos la bobina del electroimán con una tensión alterna constante y mediante otro

bobinado recogemos la tensión inducida, esta última tendrá un valor proporcional al

flujo inductor que depende de la reluctancia y , por tanto de la presión.

U.T.3 Sensores y transductores Hoja 51 de 87

Capacitivos: Una de las placas de un condensador se mueve por efecto de la presión,

haciendo variar la capacidad del mismo. Si este condensador se conecta a un circuito

oscilante, que forma parte de un oscilador, tendremos a la salida una señal cuya

frecuencia es proporcional a la presión. Otra posibilidad es conectar dicho

condensador a un circuito puente alimentado por corriente alterna. Al variar la

capacidad variará la tensión de salida.

Los transductores capacitivos son pequeños y robustos, su precisión es del orden de ±0,2

a ±0,5 % y su gama de medidas puede ser muy amplia, desde 0,05/5 a 0,5/600 Kg/cm2.

Galgas extensiométricas.

El elemento sensor es una galga extensiométrica. La aplicación de la presión

estira o comprime los hilos conductores de la galga, dando lugar a un cambio en la

U.T.3 Sensores y transductores Hoja 52 de 87

resistencia de la misma. La galga se monta junto con otros componentes formando un

puente de Wheatstone. El puente estará equilibrado para la presión mínima y dará salida

cero. Cualquier variación en la presión moverá el diafragma y produce un desequilibrio

del puente proporcional a la misma.

El rango de medidas puede ser de 0/0,6 a 0/10000 kg/cm2 con una precisión

del orden de ±0.5%.

Una variante de los anteriores consiste en utilizar galgas de silicio. La

pastilla es sometida a un proceso que permite obtener el puente de Wheatstone con la

galga incorporada. El intervalo de medida varía de 0/2 a 0/600 kglcm2, según

modelos, con una precisión del orden de ±0,2%.

Cristales piezoeléctricos.

Se aprovecha la propiedad piezoeléctrica de ciertos materiales, como el cuarzo. La

pastilla de cristal se somete a la presión a través de un diafragma o fuelle y entrega

directamente una señal que deberá ser amplificada para que tenga el nivel suficiente.

Los transductores de este tipo son ligeros y robustos, el margen de las medidas es de

0,1/600Kg/cm2 y la precisión del 1%.

U.T.3 Sensores y transductores Hoja 53 de 87

5. TRANSDUCTORES DE CAUDAL

La medida de caudal de líquidos y gases es frecuente en los procesos industriales.

Existen diversos procedimientos para efectuar esta medida, de los que destacamos los

siguientes.

5.1. Placa-orificio o diafragma

La tubería por la que circula el fluido se secciona y se introduce una placa con un

orificio, que da lugar a un estrangulamiento.

Mediante dos tomas de presión se mide ésta en la parte anterior y posterior de la

placa. La presión diferencia resultante es proporcional a la raíz cuadrada del caudal.

QKPP =− 21

Con este sistema es posible medir caudales con una relación 3 a 1 entre el

máximo y el mínimo siendo la precisión del 1 al 2%. Es posible la medida sobre líquidos

y gases.

5.2. Tobera y tubo Venturi

La tobera consiste en un estrangulamiento situado en el interior de la tubería.

U.T.3 Sensores y transductores Hoja 54 de 87

Esto provoca una presión diferencial entre las tomas anterior y posterior que es

proporcional a la raíz cuadrada del caudal. Se puede utilizar para líquidos con una

pequeña cantidad de sólidos. Permite medir caudales del orden del 50% superiores a los

de la placa-orificio y su precisión también es algo mayor.

El tubo Venturi se compone de dos piezas cónicas (cono de entrada y de salida)

unidas por las partes de menor sección, de forma que al intercalarse en la tubería objeto

de medición, provoca, al igual que en los casos anteriores, una presión diferencial cuya

magnitud nos permitirá conocer el caudal.

El tubo Venturi permite medidas de caudal similares a la de la tobera, que

arrastren gran cantidad de sólidos y con bastante precisión (del orden del ±0,75%).

5.3. Turbina

Consiste en un dispositivo rotórico situado en el interior de la tubería, que gira

con una velocidad proporcional al caudal. Sobre el rotor va montado un imán

permanente que induce corrientes en forma de impulsos sobre una bobina externa.

Contando estos impulsos en un periodo de tiempo fijo obtenemos una medida de caudal.

La turbina permite medidas de caudal en una proporción de 15 a 1 con una

precisión del 0,3%, aunque resultan caros, requieren calibración y que los fluidos sean

limpios.

5.4. Sonda ultrasónica

Consiste en un emisor/receptor de ultrasonidos, acoplados a la tubería cuyo caudal

se quiere conocer.

U.T.3 Sensores y transductores Hoja 55 de 87

El sonido emitido experimenta cambios en su propagación por el interior de la

tubería en función del caudal y el receptor capta dichos cambios. Así, por ejemplo, en la

anterior se puede medir el tiempo que tarda en propagarse el sonido desde que se le da la

orden al emisor hasta que se capta en el receptor y de este dato obtener la velocidad del

fluido o su caudal.

El esquema siguiente muestra un posible diagrama de bloques del transductor

ultrasónico completo.

Mediante el generador de impulsos se activa el emisor. La señal captada por el

receptor se amplifica y se envía al circuito medidor de desfase junto con los impulsos del

emisor para medir el tiempo de desfase entre unos y otros. Esta medida, corregida y

escalada se lleva al indicador.

Este tipo de transductores permite medir caudales en una proporción de 20 a 1

con una precisión de ±2% y con cualquier líquido.

U.T.3 Sensores y transductores Hoja 56 de 87

5.5. Medidor térmico

La figura siguiente representa un procedimiento para la medida de caudales

haciendo uso de termistores NTC.

La NTC1 está en contacto con el fluido en reposo, mientras que la NTC2 está

en el interior de la tubería. Según sea el caudal así será la temperatura de la NTC2 y con

ello su resistencia experimentará un cambio.

Haciendo un montaje en puente es posible tener una tensión proporcional al

caudal.

Este tipo de transductores permite medidas de caudal en la proporción 10 a 1

con una precisión del 1% y se utiliza sobre todo con gases.

6. TRANSDUCTORES DE NIVEL

El nivel de un tanque puede medirse por diversos métodos, dependiendo del

tipo de tanque, material almacenado y la precisión deseada. Los transductores eléctricos

son los más empleados, y entre ellos cabe destacar los que se describen a continuación.

6.1. flotador magnético

Un flotador que se desliza a lo largo de un tubo guía contiene un imán que al

moverse arrastra a otro imán situado en el interior del tubo. Este segundo imán está

U.T.3 Sensores y transductores Hoja 57 de 87

acoplado al cursor de un potenciómetro, por lo que la variación de nivel se traduce en

una variación de resistencia que se puede convertir en una señal eléctrica mediante un

puente u otro circuito similar.

La precisión de este instrumento es de ±0,5% y permite la medida en tanques

abiertos y cerrados. El margen admisible es de 0 a 10 m.

De construcción similar son los medidores de desplazamiento. Consisten en

un flotador parcialmente sumergido en el líquido y conectado mediante un juego de

palancas a una varilla que transmite el movimiento del flotador a un dispositivo eléctrico

tal como un potenciómetro.

U.T.3 Sensores y transductores Hoja 58 de 87

6.2. Presión diferencial

Consiste en un transductor de presión situado en el fondo del tanque. Si el

tanque está abierto, la presión registrada es proporcional a la altura. Si el tanque está

cerrado y bajo presión se puede hacer uso de la medida si se corrige adecuadamente.

La precisión de estos transductores es de ±0,5 y son muy fiables. Admite

medidas de hasta 25 m.

6.3. Capacitivo

Existen diferentes formas constructivas y una de ellas consiste en dos tubos

cilíndricos concéntricos y aislados entre sí, cuyo espacio de separación se llena de fluido,

según sea la altura de este líquido.

La capacidad del condensador formado entre los tubos depende de la altura.

El circuito eléctrico que permite captar las variaciones de capacidad puede ser

un puente de capacidades alimentado en corriente alterna.

U.T.3 Sensores y transductores Hoja 59 de 87

Con C2 ajustaríamos el equilibrio del puente para una altura de líquido

determinada. Al variar Ch, el puente se desequilibra y obtenemos una señal Vs

proporcional a h. La precisión de estos transductores es del ± l %, son ligeros y dc fácil

limpieza. Se pueden utilizar también para nivel de sólidos. El margen de alturas es de 0 a

6 m.

6.4. Ultrasonidos

Se hace uso de un emisor y receptor de ultrasonidos, situados en el tanque de forma que

el receptor capta el sonido reflejado en la superficie del líquido, procedente a su vez del

emisor.

El tiempo invertido por la onda sonora, desde que se emite hasta que se recibe,

depende de la distancia a la que se encuentra la superficie y, por tanto, de la altura h.

La precisión de estos transductores es del ±l % y sirven también para medidas

de nivel de sólidos. Es posible medir alturas entre 0 y 30 m.

7. TRANSDUCTORES DE VELOCIDAD Y POSICIÓN ANGULARES

(ENCODERS)

La medida de la velocidad del eje de un motor se puede realizar con

dispositivos electromagnéticos tales como alternadores o dinamos tacométricos. Este

último está formado por un imán permanente, que constituye la excitación inde-

U.T.3 Sensores y transductores Hoja 60 de 87

pendiente, y un devanado inducido donde se produce una tensión proporcional a la

velocidad de giro, siendo esta constante de proporcionalidad su principal característica.

En cuanto a la medida de ángulos, el dispositivo más sencillo en constitución y

acondicionamiento de señal es el potenciómetro rotativo. El eje del mismo se acopla al

elemento del sistema que gira, dando lugar a una tensión en la salida proporcional al

ángulo girado.

Actualmente se hace uso de encoders para medir de velocidades y posiciones

angulares. Pueden ser incrementales o absolutos.

El principio de funcionamiento de los encoders incrementales se basa en la

transmisión de un haz luminoso a través de un disco perforado con ranuras regularmente

espaciadas sobre su circunferencia. Con este sistema, los impulsos luminosos así

generados se convierten en impulsos eléctricos. La fuente luminosa suele ser un diodo

emisor de luz y el detector un fotodiodo con el circuito electrónico adecuado para

generar la señal eléctrica mencionada. Suele disponer de algún sistema de lentes que

permite el correcto enfoque entre emisor y detector. La siguiente figura muestra

esquemáticamente la estructura de un encoder

Contando los impulsos generados es posible medir el ángulo girado por el eje, y

si se conoce el intervalo de tiempo en el cual se han contado se puede saber la velocidad

de giro.

Los encoders que podemos encontrar en la práctica como el E6A2 de OMROM,

suelen disponer de tres tipos de salida, conocidas como salida A, B y Z. La A y B son

similares pero desfasadas una de la otra ¼ de periodo, mientras que la Z consiste en un

impulso por vuelta.

U.T.3 Sensores y transductores Hoja 61 de 87

Las señales A y B tienen la fase indicada en la Figura cuando el eje gira en un

sentido, mientras que si gira en el sentido contrario será la señal B la que se adelante a la

A. Esto permitirá, con el circuito adecuado, detectar además el sentido de giro La señal

Z se suele utilizar como señal de puesta a cero del contador de impulsos, siendo por

tanto la referencia de paso por cero para la medida de ángulos.

Para conseguir estas señales es necesario que el disco acoplado al eje se codifique

con ranuras a lo largo de las tres circunferencias concéntricas, la A y B con igual número

de ellas pero desplazadas ligeramente unas respecto de otras, y la Z una Debe disponer

igualmente de tres sistemas emisor / detecto alineado cada uno con las ranuras

correspondientes.

Las características más destacables de un encoder incremental son las siguientes.

1. Resolución: Número de pulsos de salida por cada vuelta del eje.

2. Carga del eje: Máxima fuerza que se puede ejercer sobre el eje. Se

suele especificar la carga axial (en la dirección del eje) y la carga radial

(perpendicular al eje).

3. Máxima velocidad de rotación: Por encima de esta velocidad el

encoder no responde correctamente.

4. Par de arranque: Par necesario para hacer girar el eje partiendo de la

posición de reposo.

5. Tipo de salida: La salida suele ser lógica, o en colector abierto

U.T.3 Sensores y transductores Hoja 62 de 87

La salida en colector abierto debe cerrarse externamente con una carga resistiva

entre SALIDA y Vcc para que el circuito del colector quede cerrado a alimentación.

Los encoders absolutos tienen n líneas de salida de tipo digital. Según sea la

posición del eje así será el código binario generado. La resolución en este caso hace

referencia a cantidad de diferentes códigos generados por cada vuelta. Si el código fuera

binario natural esta resolución sería 2n. Es frecuente encontrar encoders absolutos con la

salida codifica en BCD o código Gray.

Para conseguir una salida codificada es necesario disponer internamente de n

pares emisor/detector y de un disco repartido en sectores con una serie de ranuras cada

uno de ellos que permitan entregar las señales uno o cero del código que indica tal

posición.

Con los encoders, además de medir posiciones y velocidades angulares, es

posible medir desplazamientos y velocidades longitudinales si el eje del motor cuyo giro

se mide con el encoder está acoplado a un mecanismo que convierte el movimiento

circular en lineal. Este es el caso de cintas transportadoras, tornillos sinfín en máquinas

herramientas, etc.

6.a. Transductores de desplazamiento digitales

U.T.3 Sensores y transductores Hoja 63 de 87

Como ya se mencionó anteriormente, son aquellos que generan a su salida una señal de

tipo digital. Proporcionan, por tanto, un número de impulsos por cada vuelta del eje en

rotación o cada unidad de desplazamiento lineal.

Se utilizan para la medida de desplazamientos, tanto lineales como angulares. Reciben el

nombre de codificadores (lineales o angulares), encoders (angulares) o reglas (lineales).

Las diferentes tecnologías empleadas en la fabricación de estos dispositivos son:

• Inductiva por reluctancia variable.

• Inductiva por corrientes de Foucault.

• Por efecto Hall.

• Capacitiva.

• Magnetorresistiva.

• Fotoeléctrica.

Los más empleados son los transductores fotoeléctricos (ópticos), seguidos de los

inductivos, motivo por el que se desarrollarán en profundidad los primeros.

Los transductores fotoeléctricos constan, fundamentalmente, de un emisor de luz (diodo

led) y de un receptor (fototransistor), pudiendo actuar por reflexión o por transparencia.

En los primeros, el emisor y receptor están montados en un mismo frente, uno al lado del

otro y el haz de luz incidente se reflejará o será absorbido por las franjas alternas (en dos

colores muy contrastados: blanco y negro) dispuestas sobre la superficie móvil.

Al incidir el haz de luz emitido sobre las franjas, se reflejará en las blancas y hará que el

fototransistor se sature. Por el contrario, cuando el haz incida sobre las franjas oscuras,

no existirá reflexión y el fototransistor permanecerá cortado. Se obtiene así un tren de

impulsos.

En los detectores por transparencia, emisor y receptor se montan

enfrentados, interponiéndose entre ambos los dientes u orificios del disco

acoplado al elemento móvil.

La anchura de las franjas o de las ranuras, así corno su separación deben estar en

relación con la rapidez de respuesta del fototransistor, debiéndose obtener impulsos

claros en todo el rango de velocidades a detectar.

Dentro de los codificadores existen dos tipos:

•••• Incrementales, que proporcionan información de la posición actual

referida a otra posición. Aunque pueden medir desplazamientos, se utilizan

principalmente para la medida de velocidades.

U.T.3 Sensores y transductores Hoja 64 de 87

•••• Absolutos, que proporcionan información sobre la posición exacta.

6.a.1. Codificadores incrementales

Proporcionan información del desplazamiento referido a situaciones anteriores. Se

denominan encoders en el caso de desplazamientos angulares o reglas si el

desplazamiento es lineal.

El dispositivo más simple posee únicamente un par emisor- receptor, proporcionando

solamente información del desplazamiento y no de su sentido.

En la figura siguiente se puede observar la constitución de un codificador incremental

angular y otro lineal, así como la señal proporcionada por ambos.

En el caso de los encoders incrementales, se puede introducir un sistema

capaz de determinar la posición inicial del disco. Basta para ello introducir un nuevo

par emisor-receptor que se active únicamente en uno de los segmentos del disco. A la

señal proporcionada por este sistema se la denomina salida índice.

U.T.3 Sensores y transductores Hoja 65 de 87

Para la medida de velocidad y desplazamiento angulares, con

detección del sentido de giro, se introduce un doble sistema emisor-

receptor, situados, próximos y en la misma circunferencia, de forma que

uno de ellos se activará antes que el otro, en función del sentido de giro.

En el caso de medida de velocidad y desplazamiento lineales se

emplea un sistema Similar, tal y como se puede observar en la regla de la

figura adjunta, en la que se ha empleado el sistema de reflexión.

U.T.3 Sensores y transductores Hoja 66 de 87

La resolución de estos codificadores dependerá del ángulo de

cada segmento en el caso de los angulares y de la anchura de cada uno de

ellos en el caso de los lineales.

El circuito acondicionador estará formado, principalmente, por

un contador digital encargado de almacenar el número de impulsos

producido por el codificador. En la figura siguiente se ha empleado un

encoder incremental de 16 impulsos/vuelta y un contador con 32 estados,

por lo que transcurrida la segunda vuelta se repetirán los estados del

contador.

U.T.3 Sensores y transductores Hoja 67 de 87

Si se desea duplicar la resolución del sistema será necesario

incluir un circuito capaz de proporcionar un impulso por cada flanco

(subida o bajada) proporcionado por el codificador. En la figura siguiente

se muestran las modificaciones a realizar en el circuito de la figura

anterior, así como las formas de onda más representativas.

Si el codificador posibilita la detección de sentido de

desplazamiento, el acondicionamiento será de la forma que se indica a

continuación

6.a.2. Codificadores absolutos

Proporcionan, tal y como se ha mencionado, la posición exacta del elemento

móvil.

Si en el codificador incremental es necesario un sistema de contaje externo de

los impulsos y la búsqueda de la posición inicial (índice), el codificador absoluto

suministra directamente, en paralelo, una combinación binaria de un determinado código

que corresponde a la posición del sistema, independiente de las condiciones iniciales.

U.T.3 Sensores y transductores Hoja 68 de 87

Con el fin de obtener el código de n bits, se utilizan n pares de emisores-receptores. En

el caso de los angulares, el disco estará constituido por 2n segmentos y n pistas

concéntricas.

Si se trata de codificadores lineales, la regla estará dividida en n pistas, y dentro de cada

una de ellas existirán las zonas necesarias, opacas o transparentes (de reflexión o no)

para configurar el código empleado..

U.T.3 Sensores y transductores Hoja 69 de 87

La resolución (menor desplazamiento que se puede detectar), en

el caso de los angulares, dependerá del número de pistas (n), de la forma:

nresolucion

2

º360=

Si se trata de un codificador lineal, su resolución dependerá,

asimismo, del número de pistas (n) y de la longitud de la regla (L):

n

Lresolucion

2=

Para obtener una mayor resolución, será necesario aumentar el

número de pistas y, por tanto, el numero de pares emisor- receptor (el

número de bits del código), aumentando la complejidad del codificador.

Con el fin de evitar indeterminaciones, se utilizan códigos

binarios continuos y cíclicos.

Un código es continuo si las combinaciones correspondientes a números

decimales (base diez) consecutivos son adyacentes.

Se denominan combinaciones binarias adyacentes aquéllas que difieren

únicamente en un bit.

Un código continuo en el que la última combinación es adyacente con la

primera se denomina cíclico.

El código más utilizado en codificadores absolutos es el Gray, también

denominado reflejado ya que la formación del código de n bits se realiza a

partir del de n-1 repitiendo simétricamente las combinaciones de éste y

añadiendo por la izquierda un nuevo bit 0 para las 2n-1 primeras combinaciones

y un 1 para las 2n-1 siguientes.

U.T.3 Sensores y transductores Hoja 70 de 87

Mostramos a continuación un encoder absoluto con codificación en código

Gray

Puesto que el código Gray resulta más difícil de utilizar que el

binario natural, normalmente, se realizará la conversión a éste ultimo

código, siendo ésta relativamente simple.

U.T.3 Sensores y transductores Hoja 71 de 87

8. DETECTORES DE POSICIÓN

Entran dentro de este grupo todos aquellos dispositivos que entregan una señal

todo/nada indicando con ello la presencia o ausencia de un objeto. Se utilizan

frecuentemente en el control secuencial como elementos que proporcionan información

de entrada al controlador.

8.1. Finales de carrera

Son interruptores electromecánicos accionados por palanca, rodillo, etc., los hay de

diversas formas y sensibilidades, lo que permite la detección de objetos en múltiples

direcciones.

8.2. Detectores inductivos y capacitivos.

Los detectores inductivos responden al diagrama de bloques siguiente.

El coeficiente L de la bobina detectora determina la frecuencia y amplitud de la

señal alterna producida por el oscilador. La salida del oscilador se rectifica para

convertirla en continua y su nivel se detecta con el circuito de conmutación. Si se acerca

un objeto metálico a la bobina, cambia el valor de L y la salida conmuta de un estado a

otro. Su cuerpo es metálico.

Los detectores capacitivos tienen una estructura interna similar con la

diferencia de que en lugar de una bobina, el elemento sensor es un electrodo o placa que

constituye la armadura de un condensador. Cuando un objeto, metálico o no, se

aproxima, cambia la capacidad del condensador y el oscilador genera una señal que

rectificada hace que cambie la salida al estado contrario. Su cuerpo suele ser de plástico.

Las características más destacables de ambos tipos de detectores son:

U.T.3 Sensores y transductores Hoja 72 de 87

1. Distancia de detección: Es la máxima distancia a la que se puede

encontrar el objeto detectable. Suele ser del orden de algunos

milímetros.

2. Frecuencia de respuesta: Indica el máximo número de veces que puede

actuar el detector en un segundo.

La salida, de tipo todo/nada, puede responder a alguno de los siguientes

modelos:

Tipo B: Se alimentan con continua y la salida es un transistor PNP en

colector abierto. La carga debe conectarse entre la SALIDA y 0 V

Tipo C: se alimenta con continua y la salida es un transistor NPN en

colector abierto, la carga debe conectarse entra la salida y Vcc

Tipo D: se alimenta en continua y la carga debe colocarse en serie con

la alimentación.

U.T.3 Sensores y transductores Hoja 73 de 87

Tipo E: se alimenta con continua y la salida es un transistor NPN con

carga interna. No es imprescindible colocar carga externa, ya que en

la salida tenemos un nivel lógico de tensión.

Tipo F: Se alimenta con continua y la salida es un transistor PNP con

carga interna.

Tipo Y: se alimenta en alterna y la carga se coloca en serie con la

alimentación

U.T.3 Sensores y transductores Hoja 74 de 87

8.3. Detectores fotoeléctricos

Para la detección fotoeléctrica es necesario contar con dos elementos: el emisor

de luz y el receptor. Como emisores se suelen emplear lámparas de incandescencia,

diodos LED y diodos láser. Como receptor de luz se utilizan las resistencias LDR,

fotodiodo, fototransistor, fototiristor, etc.

Los modos de detección son tres:

Barrera: Emisor y receptor están separados y se instalan uno frente al

otro, formando una barrera luminosa. Al cortar el haz se produce un

cambio a la salida del receptor. El emisor y el receptor están

separados a una cierta distancia, entre 4 y 7 m, para la serie en

miniatura, de 8 a 10 m, para la gama de alcance medio, y sobre los 30

m para el grupo de largo alcance. La conmutación se produce al

interponerse cualquier objeto, opaco o reflectante, entre el emisor y el

receptor. Se caracterizan por su gran alcance, detección precisa,

apropiados para ambientes contaminados y exterior. Fig. 8.14 El haz

de diámetro d indica la zona útil de detección, el haz D muestra la

zona de tolerancia de posicionamiento del receptor, es decir el

receptor puede desplazarse sin afectar al funcionamiento entre los

extremos del haz D, desplazándose el útil de la misma forma.

Réflex: el emisor y el receptor están incorporados en la misma caja.

El haz emisor se refleja en un reflector que devuelve al receptor. La

U.T.3 Sensores y transductores Hoja 75 de 87

activación o desactivación se produce por interposición del haz

luminoso. Son de gran sencillez de instalación y utilización; las

distancias de detección son menores que en los anteriores, oscilando

entre 2 y 3 metros para los miniatura, 7 a 6 m, para los de alcance

medio y hasta los 10 m para los de gran alcance, nos podemos

encontrar básicamente con dos tipos:

• Réflex sobre espejo: Además del emisor y receptor que se

instalan separados y uno sobre otro, es necesario un espejo

sobre el que se refleje el haz para formar así la barrera

luminosa.

• Réflex directo: Emisor y receptor forman parte de un solo

bloque y es el propio objeto que se pretende detectar el que

refleja el haz luminoso cuando pasa frente al detector

U.T.3 Sensores y transductores Hoja 76 de 87

Las características más destacables de los detectores fotoeléctricos son:

a. Distancia de detección: Los detectores de barrera y réflex

sobre espejo permiten una mayor distancia del objeto al

detector que las réflex directas. Puede variar entre algunos

metros y algunos centímetros.

b. Alimentación: Se pueden alimentar en continua, alterna o

multialimentación.

c. Tipo de salida: Los tipos de salida más habituales son NPN

y PNP cuando la alimentación es de continua y la salida por

contacto o SCR cuando la alimentación es de alterna.

d. Tiempo de respuesta: Hay fotocélulas con tiempos del orden

de ms y otras con tiempos del orden de microsegundos.

8.4. Detectores ultrasónicos

Los ultrasonidos, debido a su alta frecuencia y corta longitud de onda, son

ondas muy direccionales. Se puede aprovechar esta propiedad para realizar barreras

ultrasónicas compuestas por un emisor y un detector. Los tipos de conexión son en

barrera y por reflexión directa.

Presentan la ventaja de que la detección es independiente al color; transparencia

y tipo de material del objeto. Las distancias de detección son del orden de algunos

centímetros.

U.T.3 Sensores y transductores Hoja 77 de 87

9. MEDIDA DE DESPLAZAMIENTOS CON SENSORES LÁSER

Estos dispositivos alojan en su interior un emisor láser, un fotorreceptor; un

circuito para regular la potencia de luz emitida y un procesador de señal que acondiciona

la señal procedente del receptor. La Figura siguiente muestra esta disposición y el

principio de funcionamiento del mismo.

El láser emite su haz de luz, y cuando el objeto se encuentra en la posición de

referencia a la distancia d0 refleja el mismo siguiendo el eje de la lente receptora, sobre

la posición P0 del fotorreceptor. Esto produce una determinada señal de salida.

Si el objeto se pone a la distancia d1, el haz reflejado incidirá sobre el punto P1

del fotorreceptor, dando lugar a una señal distinta a la del caso anterior.

Las características más destacables de estos sensores son:

1. Distancia focal: Es la distancia a la que se debe colocar el

objeto cuyos desplazamientos con respecto al punto de

U.T.3 Sensores y transductores Hoja 78 de 87

referencia se quieren medir. Para el sensor Z4W-V es de

50mm

2. Rango de medida: Indica cuánto se puede desplazar el objeto

con respecto al punto de referencia. Para el sensor Z4W-V es

de ±5mm

3. Diámetro del punto de luz: Expresa las dimensiones del punto

de luz generado por cl láser. Para el Z4W-V la sección del haz

es casi elíptica y de 0,5 a 0,8 mm a la distancia de 50 mm.

4. Resolución: Es el mínimo desplazamiento que debe sufrir el

objeto para que se aprecie en la salida. En el caso del sensor

Z4W-V es de 30 µm.

Se muestran a continuación algunos ejemplos típicos de aplicación:

Detección de grietas

U.T.3 Sensores y transductores Hoja 79 de 87

Medida de Vibraciones

Medida de espesores

10. Elementos neumáticos

10.1. Presostatos

Son detectores que convierten la señal neumática de presión en una señal eléctrica. La

presión puede ser regulable desde 0.5 a 10 bar aproximadamente. Son aparatos sin

contacto mecánico y pueden ser instalados en cualquier parte del circuito que genere esa

presión de mando.

Constan esencialmente de una cámara de aire (a) que al alcanzar una determinada

presión, deforma una membrana elástica (b) portadora de una plaquita conductora. Al

comprimir al contacto (C ), cierra o abre un circuito eléctrico que es aprovechado para

producir una señal que puede accionar, por ejemplo, la bobina de una electroválvula, etc.

U.T.3 Sensores y transductores Hoja 80 de 87

Si observamos su representación simbólica, observamos que al alcanzar una

cierta presión por (P), el contacto 1-2 se abre y se cierra el 1-3, cualquiera de los dos, o

los dos pueden ser aprovechados para una determinada función.

10.2. Captadores de umbral de presión Son elementos utilizados para detectar el final de carrera de un cilindro. Son

instalados en las mismas tuberías de escape de los cilindros, por tanto no ocupan espacio

en la zona de trabajo. Son muy utilizados en automatismos secuenciales combinados con

otros detectores. La señal que emiten es directamente aprovechable sin necesidad de

ningún tipo de amplificador.

Son en realidad células neumáticas lógicas de función No. Es decir, ante la

ausencia de presión en (a),la salida de señal (c ) se halla bajo presión, que se aprovecha

para comandar el pilotaje del distribuidor (4) del cilindro, y producir la inversión del

movimiento. Cuando la presión en (a) desciende hasta un valor próximo a la atmosférica,

se anula la salida de presión por (c ).

U.T.3 Sensores y transductores Hoja 81 de 87

Para comprender mejor su funcionamiento, observemos la figura siguiente, que

nos muestra las curvas de las presiones que se dan en una y en otra cámara del cilindro.

En este caso se ha supuesto que el trabajo se realiza cuando el cilindro avanza. La curva

(1) del gráfico muestra la evolución de la presión de la cámara de avance a lo largo de

todo el recorrido. El punto (4) indica la actuación del distribuidor, el (5) el inicio de la

carrera del cilindro y el (6) el final de dicha carrera. La curva de trazos (2) muestra el

desarrollo de las presiones en la cámara de retroceso donde se instala el detector. Para el

correcto funcionamiento de la célula es preciso en la cámara de retroceso una cierta

contrapresión mediante un regulador de caudal (2) De esta forma mientras el cilindro

avanza, se mantiene una cierta presión que hace que en la célula no haya comunicación

entre 8ª) y (c ). Al finalizar el recorrido del pistón, la presión de la cámara de retroceso

desciende hasta la atmosférica, y en le punto (3) se produce la conmutación del captador

de umbral depresión, comunicándose (a) con (c ) para pilotar al distribuidor (4), y hacer

que el vástago del cilindro inicie el retroceso.

De esta forma se logra una señal que puede ser aprovechada para otras funciones,

como puede ser el avance de otro cilindro.

En la figura siguiente tenemos la constitución interna de estas válvulas: En el

interior del cuerpo (1) se puede apreciar el núcleo (4) que lleva adherida la membrana

elástica (3) y el muelle de recuperación (5). en la posición indicada, es decir, sin presión

en /a), el conducto de presión (b) comunica con la salida (c ) : la presencia depresión en

(a) hace que el aire de la cámara (2), deforme la membrana elástica (3) y desplaza el

núcleo (4) hacia la parte inferior, impidiendo el paso de aire por (b). la salida (c )

comunica con la salida exterior (R ).

U.T.3 Sensores y transductores Hoja 82 de 87

10.3. Captadores neumáticos de fuga

Son elementos empleados para detectar pequeños desplazamientos de elementos

mecánicos. Tienen un funcionamiento muy seguro y gran versatilidad, ya que pueden

trabajar a presiones comprendidas entre los 0.1 bar a 6 bar.

Es conveniente trabajar a presiones bajas , y por lo tanto trabajar con un

amplificador, con el objeto de evitar consumos elevados de aire. Para el funcionamiento

es preciso el contacto físico con el elemento móvil que puede obstruir la salida de aire, o

accionar una bola o varilla elástica. Por su reducido tamaño son componentes que se

instalan con facilidad en las máquinas.

El principio de funcionamiento es tal y como se muestra en la figura siguiente:

U.T.3 Sensores y transductores Hoja 83 de 87

El pequeño caudal de aire a baja presión entra por (1) y sale por (3), cuando nada

se interpone en su camino. El efecto Venturi del conducto (1), hace que en el conducto

(2) haya una cierta succión, es decir, una depresión. Al hacer contacto la pieza móvil en

la cabeza del captador, se cierra el paso (3) y el aire que entra por (1) sale por (2) a la

misma presión produciendo la señal correspondiente, que a su vez pilotará al distribuidor

directamente, o al amplificador de señal.

A continuación se muestra un captador de bola, el funcionamiento es el siguiente:

El aire entra por (1), mientras la bola se halla libre de presión, y sale por (2). Al

accionar la bola mediante el tope móvil, el núcleo desciende y obstruye la salida de aire

del conducto (1), que deja de comunicarse con (2). Esta interrupción de salida del flujo,

genera una señal que capta el amplificador.

En la figura siguiente se muestra un conjunto formado por captador, amplificador

, distribuidor y actuador.

En (a) se representa el detector (2),pilotando directamente a la válvula

distribuidora neumática (1) del cilindro (A), esto es posible por que la presión de la señal

en (x), llega a igualarse a la de alimentación (P).

En (b) se muestra el captador (2) en cual se utiliza la señal de salida(x),para

activar el amplificador de señal (3), que a su vez pilotará al distribuidor del cilindro.

U.T.3 Sensores y transductores Hoja 84 de 87

10.4. Captadores fluídicos de proximidad

Son elementos captadores de señal basados en la detección por reflexión del propio aire,

cuando se interpone en esta corriente un objeto móvil. Pueden detectar objetos delicados

o blandos con gran velocidad de desplazamiento, puesto que no existe contacto

mecánico.

Funcionan a presiones muy bajas del orden de los 100 a 300 mbar, y van asociados

también a un relé amplificador, al cual alimentan. Es este relé el que conmuta la señal de

la válvula.

La distancia de captación frontal (a) llega hasta unos 20 mm, y la lateral (b) hasta

unos 5 mm, para (c ) aproximadamente igual a 1,5 mm, según vemos en la figura adjunta

El funcionamiento es el siguiente:

El aire a baja presión entra por (1) y se reparte anularmente hasta la salida libre

por la cabeza del detector (2). Cuando se interpone un objeto situado a una cierta

distancia (d), el aire es reflejado y parte de él retorna por (3), creando una señal de salida

que dependerá de la separación entre el captador y la pieza, y también la presión de

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alimentación. La señal puede alcanzar un valor de hasta 0.8 mbar, por lo que es preciso

emplear un amplificador.

Veamos a continuación un ejemplo de aplicación. En la posición de reposo, el

pilotaje de la válvula distribuidora (1), comunica con el exterior a través de la salida l

amplificador (2). Ante la presencia de un objeto, el captador envía señal de presión por

(x), que amplificada en dos etapas por el elemento (2),acciona el pilotaje del distribuidor

(1), haciendo avanzar el cilindro.

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10.5. Detectores paso a paso o de barrera de aire

Consiste en dos unidades separadas de captación de señal, una de las cuales hace de

unidad emisora, y la otra de tobera receptora. Aunque pueden existir detectores

integrados en un solo bloque.

Las unidades están separadas de forma que no se superen los 100mm, utilizándose para

detectar la ausencia o presencia de piezas en su zona de influencia, sin contacto físico.

Las presiones de alimentación (P) de las toberas emisoras y receptoras no superan los 0.2

bar.

El funcionamiento es según se aprecia en la figura adjunta:

El emisor con su chorro de aire a presión reducida, no superior a 0.2 bar,

interrumpe la salida de aire de la tobera receptora, obligando a esta a conducir el aire por

la salida (x). Al interponerse un objeto entre las dos unidades, el aire sale libremente al

exterior por la boca del receptor, desapareciendo la señal depresión en (x). El efecto

Venturi creado, contribuye todavía mas a anular la presión de esa salida, e incluso a

crear una cierta depresión. La ausencia o presencia depresión en (x) se aprovecha para

gobernar un amplificador, que a su vez gobierna el distribuidor de un actuador.

A continuación se representa un ejemplo de aplicación.

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Tratamos de accionar un cilindro de doble efecto (1), haciendo avanzar el vástago

cuando en la línea de acción de los captadores de señal (5), se interponga una pieza (4).

En estado de reposo, el amplificador (3) que pilota al distribuidor (2), se encuentra en la

posición indicada, con el pilotaje de la válvula (2) a escape libre. Esto es debido a que

en la salida(x) del detector (5) existe una pequeña presión que, a través del

preamplificador (3), se transforma en señal capaz de pilotar al propio amplificador (3).

Al introducirse un objeto en la línea de acción, deja de existir la señal de presión en (x),

actuando el resorte de la (3) y pilotando al distribuidor (2). Este pilotaje conmuta las vías

y se produce el avance del embolo del cilindro (1). Al retirarse el objeto, vuelve a

aparecer la señal en (x) y el embolo del cilindro vuelve a su estado anterior.