Tema 66

TEMA 66 ELEM ELEMEN ENT TOS TRAN TRANSD SDUC UCT TORES ORES Y CAPT CAPTAD ADOR ORES ES EN LOS LOS CIRCUITOS CIRCUITOS DE CONTROL

•

INTRODUCCIÓN En la cadena de mando y control industrial son varias las partes que suelen

intervenir: los bloques de entrada de señales de mando y posición; los que se encargan del procesamiento de las señales y de emitir las correspondientes órdenes de gobierno y los que se encargan de aplicar o convertir estas órdenes. En la auto automa mati tiza zaci ción ón de las las indu indust stri rias as de proc proces eso, o, y en defi defini niti tiva va,, en el desarrollo industrial, se hace indispensable la utilización de elementos que puedan traducir y convertir en señales eléctricas las distintas magnitudes magnitudes físicas que intervienen en todo proceso. A estos elementos elementos se les conoce con el nombre de transductores, transductores , y dentro de la cadena de mando, intervienen en la primera parte de entrada de señales. Los transductores pueden ser de carácter activo o pasivo, dependiendo de si generan la señal captada o necesitan una alimentación externa para captar dicha señal, y pueden detectar sólo dos niveles o posiciones o bien captar cualquier nivel o posición, dentro de un intervalo.

1.- ELEMENTOS TRANSDUCTORES TRANSDUCTORES Y CAPTADORES CAPTADORES DE LOS CIRCUITOS DE CONTROL

Un transductor es un dispositivo que convierte una señal de forma física en una señal correspondiente, correspondiente, pero de otra forma física física distinta. Convierte un tipo de energía energía en otro, y dado que hay 6 tipos de señales: mecánicas, térmicas, magnéticas, eléctricas, ópticas y moleculares (químicas), cualquier dispositivo que convierta una señal de un tipo en una señal de otro tipo, se debe considerar un transductor. transductor. 1

En la práctica, transductor por antonomasia es aquél que ofrece una señal de salida eléctrica, y eso es debido al interés de este tipo de señales en la mayoría de los  procesos de medida. Se llama sistema a la combinación de dos o más elementos para realizar una o varias funciones, y en un sistema de medida aparecen los siguientes elementos: En primer lugar, aparece el elemento sensor o captador, captador , que es la parte del sistema que permanece en contacto directo con la magnitud que se mide, captando las variaciones de ésta. ésta. Por ejemplo, en un captador de posición, posición, el elemento sensor puede ser un rodillo de un final de carrera, la placa de un detector capacitivo, el núcleo magnético de un detector inductivo, etc. En segundo lugar, se encuentra el elemento transductor. transductor. Actúa estrechamente unido o relacionado con el elemento sensor (hasta confundirse con éste en algunas ocasiones). Su misión es convertir la magnitud entregada por el sensor en una magnitud eléctric eléctrica. a. Por ejemplo, ejemplo, en un sistema sistema de transduc transducción ción de fuerza, fuerza, el transduc transductor tor está formado por un puente de galgas extensiométricas, que al deformarse bajo la acción de la fuerza, varía su resistencia y, por tanto, la tensión en la “línea neutra” del puente (se montan en puente de Wheatstone). Por último, finalizando la cadena de transducción y captación de señales, se encuentra el elemento transmisor o acondicionador de señal, señal , que se encarga de ofrecer a partir de la señal de salida del transductor, una señal apta para ser presentada. Es decir, convierte la señal eléctrica de salida del transductor (todavía no procesable) en una señal eléctrica o neumática normalizada: •

Señal de tensión Uc (entre 0 y 10 V c.c).

•

Señal de corriente Ia (entre 4 y 20 mA c.c).

•

Señal de presión neumática (entre 0,2 y 1 Kg/cm 2).

El elemento transmisor no forma parte físicamente del detector, pero resulta imprescindible para convertir y transmitir adecuadamente la magnitud física de que se trate. Por otra parte, se hace necesario necesario que se encuentren calibrados calibrados los tres elementos.  Normalmente, suele existir una calibración mutua entre elemento sensor y transductor  intrínseca al proceso de fabricación del componente por estar tan íntimamente ligados,  por lo que habrá que calibrar el elemento transductor con respecto al transmisor. 2

Finalmente, Finalmente, los sistemas transductores transductores deberán de absorber el mínimo de energía durante el proceso de medición, con objeto de no influir sobre la magnitud que se va a medir.

2.- TIPOS DE TRANSDUCTORES

Teniend eniendoo en cuenta cuenta que hay mul multi titud tud de transd transduct uctore ores, s, veremo veremoss los más import imp ortant antes es siguie siguiendo ndo una clasi clasific ficac ación ión según según el ti tipo po de magnit magnitud ud que se desea desea convertir. convertir. En cada tipo tipo se observarán, observarán, en ocasiones, ocasiones, dos formas formas distintas distintas de salida salida : los detectores de contacto o que ofrecen a su salida una conexión o desconexión (ONOFF) de un circuito eléctrico, y los detectores o transductores propiamente dichos, que convierten cualquier nivel de una magnitud eléctrica dentro de un intervalo.

2.1.- TRANSDUCTORES TRANSDUCTORES DE POSICIÓN

Fundam Fun damen ental talmen mente te son eleme element ntos os de acció acciónn tod todoo o nada, nada, basado basadoss en que detectan la presencia o posición de un objeto en un punto o lugar, determinado por la colocaci colocación ón física del elemento elemento detector detector.. Si el objeto objeto se encuentra encuentra en ese punto, los contactos de salida salida se activan y se desactivan desactivan si desaparece desaparece el objeto. Los principales transductores de este tipo son: Los finales de carrera. carrera . Estos dispositivos dispositivos activan activan y desactivan desactivan sus contactos, contactos, en virtud del accionami accionamiento ento mecánico mecánico de un rodillo rodillo basculant basculantee por ejemplo. ejemplo. El que sean sean accio acciona nados dos mecáni mecánicam cament entee li limit mitaa en gran gran medida medida la frecue frecuenci nciaa máxima máxima de operacion operaciones. es. Tanto la correcta correcta disposició disposiciónn del elemento elemento,, como la fuerza que sea necesaria para accionarlo, dependerán del volumen, peso y rigidez del objeto que se quiere detectar (fig.1).

3

Fig.1 Los microrruptores. microrruptores . Funciona Funcionalmen lmente te son idénticos idénticos a los finales finales de carrera, carrera,   pero pero const construc ructiv tivame amente nte son muy difere diferente ntes. s. Esto Esto se debe a la menor menor fuerza fuerza de actuación, el ambiente en el que realizan su trabajo y a la distinta y menor capacidad de corte de sus contactos, por lo que no se utilizan en la industria pesada.

2.2.- TRANSDUCTORES TRANSDUCTORES DE PROXIMIDAD

Los detectores de proximidad cumplen básicamente los mismos objetivos que los detectores de posición (detectan la proximidad o presencia de un objeto y envían la señal señal todo-nada todo-nada correspondie correspondiente) nte).. Pero se diferenci diferencian an de aquéllos aquéllos en que captan captan el objeto sin necesidad necesidad de que se ejerza un contacto contacto o esfuerzo mecánico. mecánico. El campo de actuación del elemento sensor, es decir, la distancia en la cual puede actuar el detector, está limitado por una distancia de conexión y otra de desconexión. Sus ventajas son una mayor frecuencia de operaciones y un menor desgaste, lo que hace que en la mayoría de las aplicaciones se utilicen más que los detectores de  posición. Existen diversos tipos: •

El detector magnético con contacto Reed.

•

Detectores inductivos inductivos (para c.c y c.a a 2 y 3 hilos). 4

•

Detectores capacitivos.

•

Detectores ópticos.

El detector magnético se basa en el efecto que causa el campo magnético de un imán permanente sobre un par de lengüetas enfrentadas e introducidas en un pequeño tubo de vidrio vidrio con un determin determinado ado gas. Las lengüeta lengüetas, s, realizadas realizadas con materiale materialess magnéticos, magnéticos, se unen o se separan en función de si está está presente o no el imán. Este tipo de contactos magnéticos se denominan contactos Reed (fig. 2).

Fig. 2 El detector inductivo se basa en los efectos que causa un objeto metálico al ser  introducido en un campo campo magnético alterno. alterno. El campo magnético magnético es generado por una  bobina inductora, inductora, implicada eléctricamente eléctricamente en un oscilador oscilador LC. Al interferir un objeto dentro de ese campo magnético, se inducen en él corrientes parásitas que, a su vez, originan un campo que se opone al principal, robando de éste la energía que se disipa en esas corrientes parásitas. parásitas. La disminución energética energética de este este campo alterno provoca una disminución de la amplitud de la señal del oscilador, lo cual es detectado en un circuito disparador que activa un relé o un transistor transistor en colector abierto (fig. 3).

5

Fig. 3 Las distintas conexiones a dos y tres hilos para c.a y c.c las podemos encontrar  en la fig. 4.

Fig. 4

6

El detector capacitivo es capaz de detectar cualquier objeto, metálico o no, que se introduzca introduzca en el campo campo de actuaci actuación ón del detector detector. Basado Basado también también en un circuito circuito oscilante, oscilante, pero aquí la parte sensible es una de las placas del condensador de un circuito oscilante LC. La otra placa de este condensador es la propia tierra. Cuando un objeto se acerque a la placa sensible, debido a la variación dieléctrica dieléctrica que supone, supone, altera altera la capaci capacidad dad del conden condensad sador or.. Esta Esta alter alteraci ación ón origin origina, a, que el oscilador se ponga en funcionamiento a una frecuencia determinada y que se dispare el circuito de salida. Aquí, a diferencia del detector inductivo, el circuito no oscila permanentemente, sino que inicia la vibración cuando la capacidad del condensador sobrepasa determinado valor valor Puede Puede detectar detectar un obj objeto eto sólido, sólido, independ independient ientemen emente te de sus caracterís característica ticass eléctricas o magnéticas. magnéticas. Por lo demás, constructivamente constructivamente son similares a los detectores inductivos (fig. 5) y en la forma de conexionarlos (fig. 4).

Fig. 5 Los detectores de proximidad ópticos basan su funcionamiento bien en la interrupción de un haz luminoso o bien por la reflexión de este haz sobre el objeto que se detecta, que incide en un elemento fotosensible (semiconductor LDR o célula fotovoltaica). El elemento sensible detecta el objeto por ausencia o presencia de este haz luminoso lumi noso.. Al producirse producirse esa variación variación luminosa, luminosa, el sensor sensor modifica modifica su resisten resistencia cia eléctrica, provocando a su vez una variación en el circuito eléctrico al que está conectado, lo que dispararía el relé de salida. Son detectores que constan de dos partes: el emisor o dispositivo encargado de emitir el haz y el receptor o detector. detector. Éste consta del elemento elemento sensible, por ejemplo, ejemplo, la

7

resistencia LDR, que se encarga de convertir la presencia o ausencia de luz en una resisten resistencia cia variable variable,, el transduc transductor tor convertir convertiría ía esas variacio variaciones nes de resistenc resistencias ias en variaciones de tensión, tensión, en virtud de un circuito electrónico y el transmisor podría ser los contactos de un relé de salida o un transistor en colector abierto trabajando como conmutador. conmutador. A veces, veces, en lugar de tratarse de una radiación luminosa, se trata de una radiación infrarroja. Las fotorresistencias fotorresistencias LDR  por tanto, se basan en la variación de una resistencia eléc eléctr tric icaa de un semi semico cond nduc ucto torr al inci incidi dirr en él radi radiac ació iónn ópti óptica ca (rad (radia iaci ción ón electromagnética con longitud de onda λ  entre 1 y 10 mm.). Su símbolo es :

La conductividad eléctrica en un material depende del número de portadores en la banda de conducción. conducción. Si la radiación óptica óptica tiene energía energía suficiente para permitir permitir el salto de los e- en un semiconductor de la banda de valencia a la de conducción, pero sin exceder el umbral necesario para que se desprendan del material, se tendrá un efecto fotoeléc fotoeléctric tricoo o fotocond fotoconducto uctor, r, y a mayor mayor ilum iluminac inación, ión, mayor conductiv conductividad idad.. Si se excediera dicho umbral, se tendría efecto fotoeléctrico externo. Son sensi sensible bless a la tempe temperat ratura ura,, afecta afectando ndo a su sensi sensibil bilida idadd a la radia radiació ciónn inci incide dent ntee en un grad gradoo tant tantoo más más alto alto cuan cuanto to meno menorr sea sea la ilumin iluminac ació ión. n.

Los Los

fotoconductores más comunes, utilizables a temperatura ambiente, son el SCd, SPb y SePb. Se fabrican en en formas muy variadas variadas (fig. 6).

Fig. 6

8

Otras aplicaciones aparte de emplear la luz como radiación a modificar en detectores de presencia, son la medida de luz, con poca precisión y bajo coste (en control automático de brillo y contraste en TV, control de diafragma de cámaras fotográficas, detección de fuego, control iluminación de vías públicas…).

2.3.- TRANSDUCTORES TRANSDUCTORES DE DESPLAZAMIENTO DESPLAZAMIENTO LINEAL

En este apartado se encuentran los transductores que, pudiendo cumplir una función similar a los descritos anteriormente, la información suministrada puede adoptar  cualquie cualquierr valor, valor, de carácter carácter continuo continuo,, dentro de un interval intervalo. o. Es una información información analógica que indica la posición y, con los incrementos de ésta, el desplazamiento de un objeto, dentro de un intervalo preestablecido. Dentro de este grupo, cabe distinguir: Los potenciómetros potenciómetros lineales, lineales, que asociados mecánicamente mecánicamente al elemento del que se desea desea captar captar su despla desplazam zamie iento nto,, convi conviert erten en la varia variaci ción ón de resis resisten tencia cia en una variación de posición y, por tanto, de desplazamiento (fig. 7).

Fig. 7 Un potenciómetro es un resistor con un contacto móvil deslizante o giratorio. La resistencia entre el contacto móvil y uno de los terminales fijos es:  R

=

1 σ  A

(l 

−

 x )

Para tener alta resolución y larga vida a un bajo precio, se prefieren los  potenciómetros basados en una película de carbón depositada sobre un soporte sola o

9

 bien aglomerada aglomerada con plástico. plástico. Su coeficiente coeficiente de temperatura es alto. Su aplicación aplicación es  para el posicionamiento con motores lineales o cilíndricos (neumáticos e hidráulicos). En dispositivos controladores de nivel, se utilizan en ocasiones detectores por ultrasonido. ultrasonido. Estos Estos elementos elementos miden miden el tiempo que tarda en rebotar rebotar en el objeto una emisión ultrasónica. ultrasónica. Este tiempo será proporcional proporcional a la distancia distancia a la que se encuentra encuentra el objeto. El dispositivo dispositivo consta de una parte emisora emisora de la onda ultrasónica ultrasónica y una parte receptora que se encarga de medir el tiempo o el ángulo de retardo de la onda recibida y aportar una señal eléctrica de control, proporcional a ese tiempo de retardo.

2.4.- TRANSDUCTORES TRANSDUCTORES DE DESPLAZAMIENTO DESPLAZAMIENTO ANGULAR  ANGULAR 

En esta ocasión nos podemos encontrar con algunos elementos análogos a los del apartado anterior. Para Para medi medirr un ángu ángulo lo o desp despla laza zami mien ento to angu angula larr, se pued pueden en util utiliz izar ar los los potenciómetros circulares acoplados al eje de un motor con ayuda de un sistema reductor de engranajes. engranajes. Este potenciómetro potenciómetro no debe tener topes mecánicos mecánicos de máximo y mínimo. mínimo. Sus inconven inconvenient ientes es son el acoplamient acoplamientoo mecánico mecánico y de desgaste desgaste de la escobilla y de contacto en el potenciómetro. Existen otros elementos, que sin las limitaciones que se han visto, son capaces de medir un desplazamiento desplazamiento angular. angular. Son dispositivos ópticos que, acoplados al eje cuyo desplazamiento se desea determinar, aportan un impulso por cada incremento angul angular ar del paso mínimo. mínimo. Lo normal normal es que en lugar lugar de ofrec ofrecer er una sucesi sucesión ón de impu im puls lsos os,, lo que que apor aporte tenn sea sea la suce sucesi sión ón de un códi código go bina binari rioo dete determ rmin inad adoo (generalme (generalmente nte el código código GRAY GRAY o el código BCD). Se les llama llama codificadores de posició posiciónn o encod encoder erss , y están están especi especial almen mente te ind indica icados dos tanto tanto para para la medida medida del desplazamiento desplazamiento angular de un eje, como para la derivada de éste con respecto al tiempo, es decir, la velocidad angular.

10

Otro Otross disp dispos osit itiv ivos os que que tamb tambié iénn pued pueden en apor aporta tarr info informa rmaci ción ón sobr sobree un desplazamiento desplazamiento y una velocidad angular son los resolvers, resolvers , dispositivos que al igual que los encoders se describirán en el siguiente apartado.

2.5.- TRANSDUCTORES TRANSDUCTORES DE VELOCIDAD

 Nos centraremos en los elementos que detecten velocidad angular, por ser éstos los más habitu habituale ales. s.

En cualqu cualquier ier caso, caso, la veloci velocidad dad lineal lineal suele suele ser fácilme fácilment ntee

convertible en velocidad angular mediante un sistema de engranajes o de fricción. Son dispositivos que generan una señal eléctrica de determinadas características a partir de una velocidad o movimiento angular. En este apartado nos encontramos con: Los tacogeneradores o tacómetros de c.a, c.a , similares a un generador de energía eléctrica, siendo la salida en forma de tensión variable, tanto en amplitud como en frecuencia. Para tener sólo amplitud amplitud variable y frecuencia frecuencia constante, constante, se emplean dos devanados a 90º, comportándose comportándose como un motor monofásico, es decir, con devanado de excitación, detección de tensión y rotor en jaula de ardilla (espiras cortocircuitadas dispuestas dispuestas alrededor de un tambor) (fig. 8).

Fig. 8 Su sensibilidad sensibilidad es de 3 a 10 V a 1000 r.p.m. r.p.m. Son sensibles a la temperatura, temperatura, por  lo que se incorpora un termistor linealizado en serie con el devanado primario. Los tacómetros de c.c o dinamos tacométricas, tacométricas , que son máquinas diseñadas con el objeto de absorber el mínimo de energía posible del eje del motor al que van 11

acoplada acopladas. s. Son similares similares a los de alterna, alterna, pero rectifica rectificando ndo la salida, salida, como en los generadores de c.c. Hay un imán permanente (campo (campo inductor) basado basado en una aleación especial y obtenido por sinterización, que crea un flujo magnético constante y un circuito circuito con varias varias espiras espiras que gira en su seno y en el que se induce una tensión. tensión. La conexión de salida se va conmutando periódicamente de forma que se obtiene una tensión continua de polaridad dependiente de la de la velocidad de giro y de amplitud  proporcional a ésta, aunque no es estrictamente continua. La característica fundamental de una dinamo es su constante de conversión, que suele venir en la placa placa de características. características. Esta constante constante viene dada en voltios/r voltios/r.p.m .p.m indicando la tensión tensión que se genera por cada revolución revolución por minuto. Su sensibilidad sensibilidad es de 5 a 10 V a 1000 r.p.m, pudiendo llegar a alcanzar 8000 r.p.m, siendo el sistema utilizado por lazos de regulación de velocidad de motores de c.c. Por último, reseñar que los tacómetros sólo aportan información de velocidad angular. El encoder es un transductor digital, que ofrece a su salida una señal codificada correspondiente a la posición de un elemento móvil con respecto a una referencia interna. Es un dispositivo que, que, acoplado al eje en cuestión, cuestión, trabaja como generador generador de impuls imp ulsos. os. Éstos Éstos se genera generann debido debido a la interpo interposi sició ción, n, en una o varias varias barrera barrerass fotoeléctricas, de un disco opaco con una serie de perforaciones o canaladuras en su superfici superficie. e. Estas Estas perforacion perforaciones, es, cuando cuando coinciden, coinciden, por el efecto del giro, giro, con las   barre barreras ras fotoe fotoelé léctr ctrica icass perti pertinen nentes tes,, origi originan nan una serie serie de imp impuls ulsos os de conexi conexiónóndesconex desconexión. ión. Estos Estos impulsos impulsos son llevados llevados a un contador contador electrónic electrónico, o, que suele ir  constructivamente asociado al encoder (fig 9).

12

Fig. 9 Es también frecuente que el encoder aporte a su salida la configuración configuración de algún código binario como como se dijo antes. La información que que se puede extraer de un encoder  encoder  es tanto para el desplazamiento angular como su velocidad, utilizando los circuitos electr electróni ónicos cos adecua adecuados dos,, y sus sus aplic aplicaci acione oness se encue encuentr ntran an en la robót robótica ica,, plo plotte tters, rs, máquinas-herramienta, máquinas-herramienta, etc. El resolver o sincrodesfasador es una máquina que tiene en el estator dos  bobinas separadas separadas y colocadas colocadas en cuadratura. cuadratura. El rotor está constituido constituido por una única   bobin bobina, a, que se alimen alimenta ta por una tensió tensiónn altern alternaa (fig. (fig. 10). 10). Según Según el princi principio pio del transformador y teniendo en cuenta el ángulo del rotor, podemos decir que las tensiones eficaces en las bobinas del estator son: Fig. 10

U 1

=

U . cos φ 

U 1

=

U . sen φ 

13

Procesando de forma adecuada las dos tensiones recogidas en las bobinas del estator, estator, podemos deducir el ángulo o posición posición angular del eje. Los incrementos de este ángulo serán la medida del desplazamiento, desplazamiento, y su derivada con respecto al tiempo será la velocida velocidadd angular angular.. Estos Estos disposit dispositivos ivos se emplean, emplean, fundamenta fundamentalmen lmente, te, en controle controless rigurosos de posicionamiento y velocidad, siendo estos sistemas más caros que los  basados en dinamos tacométricas, debido a la complejidad de los circuitos electrónicos que requieren.

2.6.- TRANSDUCTORES TRANSDUCTORES DE PRESIÓN

La presión es otra de las magnitudes cuya regulación y control se realiza con mayor frecuencia dentro del proceso industrial, tanto en lo referente a la presión de fluidos líquidos como gaseosos. En el caso de gases se pueden convertir presiones tanto  por encima como por debajo de la presión presión atmosférica. atmosférica. La presión es una una fuerza por  unidad de superficie, y para su medida se procede bien a su comparación con otra fuerza conocida, bien a la detección de su efecto sobre su elemento elástico. El diagrama de bloques de lo que podría ser un sistema de medición de presión lo tenemos en la fig. 11:

Fig. 11 En este caso, el sensor se encarga de convertir la presión en otra magnitud más fácilmente traducible, por ejemplo, en los manómetros de columna de líquido, como el tubo en U, el resultado de la comparación de la presión a medir y una presión de 14

referencia, es una diferencia de nivel de líquido h, y un transductor de nivel permite la obtención de una señal eléctrica. eléctrica. Los dispositivos dispositivos utilizados derivan derivan del tubo Bourdon o del diafragma. diafragma. En todos los casos casos se convierte convierte la presión presión en el desplazami desplazamiento ento o defo deform rmac ació iónn de esto estoss elem elemen ento toss con con la cons consig igui uien ente te fuer fuerza za que que prov provoc ocaa esa esa deform deformaci ación. ón. A veces veces esa esa deform deformaci ación ón es emple empleada ada directam directamen ente te para para activa activarr y desacti desactivar var unos contactos contactos eléctricos eléctricos.. En este caso, el transduc transductor tor es el dispositiv dispositivoo mecánico que enlaza el sensor con los contactos accionados ( presostatos). presostatos ). El tubo Bourdon, Bourdon, consiste en un tubo metálico de sección transversal no circular, obtenido a base de aplanar un tubo de sección circular, que tiende a recuperar  dicha forma cuando se aplica una diferencia diferencia de presión entre el interior y el exterior. exterior. Si se ciega el tubo por un extremo y se empotra rígidamente al otro, esta tendencia a recuperar la sección transversal provoca un desplazamiento del extremo libre. Un diafragma es una placa circular flexible que consiste en una membrana tensa o una lámina empotrada que se deforma bajo la acción de la presión o diferencia de presiones a medir. La transducción se realiza detectando el desplazamiento desplazamient o del punto cent centra rall del del diaf diafra ragm gma, a, su defo deform rmac ació iónn glob global al o la defo deform rmac ació iónn loca locall ( galgas extensiométricas). extensiométricas). A lo largo y ancho del diafragma hay tracciones y compresiones, por lo que conviene disponer varias galgas y combinarlas en un puente de medida para tener  efectos aditivos y compensación de temperatura. Los materiales elásticos empleado son: cobre al berilio, aceros inoxidables, alea aleaci cion ones es Ni-C Ni-Cuu e incl inclus usoo sili silici cioo en diaf diafra ragm gmas as que que deba debann inco incorp rpor orar ar galg galgas as extensiométricas del mismo material. Si el desplazamiento obtenido no es suficiente, se puede emplear  cápsulas y fuelles. fuelles. Una cápsula consiste en dos diafragmas apareados unidos por el borde y dispuestos en caras opuestas de la misma cámara. Los fuelles son cámaras flexibles con elongación axial. Los presostatos, presostatos , son componentes todo-nada, muy utilizados para la elevación y suministro de fluidos mediante bombas eléctricas y sistemas acumuladores de presión. Sin embargo, a veces deseamos obtener una señal analógica dentro de un intervalo de actuación. Para ello, tenemos distintos sistemas: 15

Los transductores transductores piezoeléctricos (fig. (fig. 12) 12) convie convierte rtenn una fuerza fuerza en una tensión eléctrica, eléctrica, debido al fenómeno fenómeno piezoeléctrico. piezoeléctrico. El efecto piezoeléctrico piezoeléctrico (que es reversible) consiste en la aparición de una polarización eléctrica en un material al deform deformars arsee bajo bajo la acción acción de un esfuer esfuerzo. zo.

Las propie propiedad dades es piezoe piezoeléc léctri tricas cas se

manifiestan en 20 de las 32 clases cristalográficas, aunque en la práctica se usan sólo unas pocas, y también también en materiales materiales amorfos ferroeléctricos. ferroeléctricos. Entre los naturales, naturales, los usuales son el cuarzo y la turmalina y de las sintéticas, las cerámicas.

Fig. 12 Las galgas extensiométricas (fig. 13), que están basadas en la variación de longitud y diámetro, y por lo tanto de resistencia eléctrica, que presenta una galga conductora al ser sometida a una una tensión mecánica. mecánica. La variación que que experimenta experimenta la resistividad como resultado de un esfuerzo mecánico es lo que se conoce como efecto   piezorre piezorresist sistivo. ivo. Un resistor resistor dispuesto dispuesto de forma que sea sensible sensible a la deformación deformación constituye constituye una galga. El esfuerzo aplicado aplicado no debe llevar a la galga fuera del del margen elás elásti tico co de defo deforma rmaci cion ones es,, y la medi medida da de un esfu esfuer erzo zo sólo sólo será será corre correct ctaa si es transmitido totalmente a la galga, debiendo estar aislada eléctricamente del objeto donde se mida y protegida del ambiente. ambiente. Los materiales empleados empleados son: diversos diversos conductores conductores metálicos (aleaciones constantan, advance, karma) y también semiconductores como el silicio y el germanio.

16

Fig. 13 Los transductores inductivos, inductivos , que miden las variaciones de tensión inducidas en un transformador, transformador, debido al desplazamiento desplazamiento que sufre su núcleo magnético, asociado mecánicamente con el sensor. sensor. Estos transductores también son aplicados para la medida de desplazamiento y posición lógicamente, y como detectores de proximidad (son detectores inductivos inductivos los que se colocan debajo del pavimento para contar el número de vehículos). Los transductores capacitivos, capacitivos , que varían la capacidad de un condensador al variar, variar, por desplazamiento, la posición posición de una placa con respecto de la otra. Al igual que en el apartado anterior, son aplicados también para medidas de desplazamiento,  posició  posiciónn y detector detectores es de proximida proximidad. d. Las variacione variacioness de la constante constante dieléctri dieléctrica ca se aplican en la medida de humedad . Todos éstos son los más utilizados, aunque también conviene relacionar otros tipos que pueden darse en ocasiones como los potenciométricos, potenciométricos, los térmicos y los de ionización. ionización. Finalmente, la señal eléctrica entregada por el traductor ha de ser aceptada, mediante el transmisor, para su procesamiento.

17

Los detectores de presión pueden ser empleados para medir distintos conceptos de presión (relativa, absoluta y diferencial), e incluso para medir magnitudes distintas a la presión, como, por ejemplo, el caudal (con elementos diferenciales y tubos Venturi) y hasta incluso el nivel (en recipientes estancos, conteniendo fluido no compresibles).

2.7.- TRANSDUCTORES TRANSDUCTORE S DE TEMPERATURA

En el caso de la temperatura nos encontramos, igualmente, con dispositivos dispositivos cuya salida es de la forma todo-nada (mediante contacto eléctrico) y con dispositivos que aportan a su salida una señal analógica continua. Los primeros reciben el nombre de termostatos (fig. 14), y la configuración configuración que suelen adoptar es la de un elemento o plaquita bimetálica actuando como sensor. Bimetal es toda pieza formada por dos metales con distinto coeficiente de dilatación térmica unidos firmemente, por ejemplo, por soldadura autógena, y sometidos a la misma temperatura Cuando se produce un cambio cambio de temperatura, la pieza pieza se deforma según según un arco circular circular uniforme. uniforme. La dilatación dilatación que sufre esta esta placa, por efecto de la temperatura, se traduce en la activación o desactivación de unos contactos eléctricos. Se utiliza invar (acero al niquel) y como metal A latón u otros materiales similares y se utilizan cuando el control de temperatura no es muy exigente, en sistemas conexióndesconexión.

Fig. 14

18

Este dispositivo (al igual que otros con respecto a otras magnitudes), padece un fenómeno de histéresis, es decir, conecta a una temperatura distinta e inferior a la de desconexión. Otra forma de detector de temperatura de acción todo-nada, es la que emplea como principio un presostato, presostato, al cual está unido, como elemento sensor, una bulba rellena de un gas cuya presión es proporcional proporcional a la temperatura de dicho dicho gas. Este tipo de elementos se utiliza principalmente principalmente como termostatos en sistemas de refrigeración, y se colocan en contacto con las tuberías por las que circula el fluido refrigerante. Dentro de los dispositivos que aportan una señal analógica, podemos distinguir: El termómetro de resistencia (fig. 15).

Fig. 15 A veces se llaman PRT porque el material empleado con mayor frecuencia es el  platino. Su símbolo símbolo eléctrico eléctrico es:

La diagonal indica que varía de forma intrínseca linal y la anotación indica que la variación es debida a la temperatura temperatur a y tiene coeficiente positivo. Su fundamento es la variación de la resistencia de un conductor con la temperatura:  R

=  R0

(1 + α 1 .T  + α 2 .T  2

+

... + α n .T  n )

19

donde R 0 es la resistencia a la temperatura de referencia y T el incremento de temperatura respecto a la de referencia. Se alimentan generalmente con corriente continua y requieren un cierto número de equipo equiposs eléctr eléctrico icoss que que convi conviert ertaa esa esa varia variació ciónn de resist resistenc encia ia eléct eléctric ricaa en una variación de tensión o intensidad. La resi resist sten enci ciaa de la cond conduc ucci ción ón eléc eléctr tric icaa desd desdee el term termóm ómet etro ro hast hastaa el convertidor de medida influye en la medición y ha de tenerse en cuenta, por lo que se suele utilizar utilizar un tercer conductor conductor de compensación (fig. (fig. 16). El elemento resistivo resistivo se suele montar en un circuito puente con el objeto de convertir las variaciones de resistencia en la señal señal de control adecuada. En este caso, el conductor de compensación compensación (a) cumple el objetivo de compensar la influencia del conductor b, al estar montados en  brazos opuestos.

Fig. 16 La sens sensib ibil ilid idad ad de esto estoss tran transd sduc ucto tore ress es 10 vece vecess mayo mayorr que que la de los los termopares, alta repetibilidad y exactitud (en el caso del platino) y bajo coste para el cobre y el niquel. niquel. La resistivi resistividad dad debe ser alta para para poder tener una sonda sonda con valor  óhmico suficientemente alto para permitir el empleo de hilos de conexión largos y a la vez con poca masa para tener una respuesta térmica rápida. Los modelos para inmersión en fluidos consisten en un hilo bobinado sobre un soporte y protegido por una cubierta inerte. Otra aplicación, aparte de la medición de la temperatura de los elementos resistivos de platino es la medida de la velocidad de un fluido (anemometría de hilo

20

caliente), donde a un hilo muy fino y corto sujeto a un soporte, se le hace circular una corriente eléctrica. El termopar basa su funcionamiento en el principio físico que establece que, si unimos dos materiales distintos, obtenemos en los extremos de esa unión una pequeña f.e.m. que es proporcional a la temperatura a la que está sometido ese elemento (fig. 17).

Fig. 17 Realmente, se basan en dos efectos reversibles: el efecto Peltier y el efecto Thompson Thompson.. Seebeck Seebeck fue quien descubrió descubrió en 1822 que en un circuito circuito de dos metales metales distintos A y B, con dos uniones a diferente temperatura, aparece una corriente eléctrica, o si se abre el circuito, una fuerza termo-electromotriz que depende de los metales y de la diferencia de temperatura entre las dos uninoes. El efecto Peltier consiste en que al hacer circular corriente por un conjunto de termopare termopares, s, una unión se enfría enfría y la otra se calienta calienta.. Si se invierte invierte la corriente corriente es al revés, dependiendo este efecto sólo de la composición y temperatura de la unión. El efecto Thompson consiste en la absorción o liberación por parte de un conductor homogéneo con temperatura no homogénea por el que circule una corriente. Se absorbe calor al fluir corriente del punto más frío al más caliente y se libera cuando fluye del más caliente al más frío (se absorbe calor si la corriente y el calor fluyen en direcciones opuestas y se libera calor si fluyen en la misma dirección. Este tipo de elementos se emplea en los sistemas en los que la temperatura sea más o menos menos constan constante te en el punto punto de compara comparaci ción. ón. Suelen Suelen tener tener una polari polaridad dad eléctrica determinada. 21

Existen distintos tipos de termopares, según sea la composición de los dos hilos que lo forman; de menor a mayor temperatura se utilizan los siguientes: siguientes: T

Cobre-Constantan (-2 (-200ºC+260ºC)

J

Hierro-Constantan (0 (0ºC a + 400ºC)

K

Cromel-Alumen (0 (0ºC a 1200ºC)

R o S Plat Platino ino rodio-Plat rodio-Platino ino (0ºC a 1600ºC 1600ºC)) B

Pl Plaatino rodi rodioo-Pl -Plati atino rod rodio (Ha (Hasta 1800 1800ºC ºC))

La relación f.e.m./temperatura de estos elementos no es lineal, por lo que las escalas de los instrumentos de control de temperatura dependerá de cada trípode termopar termopar utiliza utilizado. do. No obstante obstante,, existen existen instrumen instrumentos tos que lineal linealizan izan las las lecturas lecturas,,   basados en microprocesadores que consiguen su objetivo bien por hardware o por  software.  Normalmente, linealizado o no, el termopar suele conectarse a un circuito comparador potenciométrico. potenciométrico. Los Los dife difere rent ntes es sens sensor ores es de temp temper erat atur uraa debe debenn prot proteg eger erse se del del proc proces esoo introduciéndose en vainas o fundas, ajustando al máximo el sensor dentro de la vaina, con el objetivo de lograr una mínima resistencia a la transferencia de calor y obtener,  por tanto, una mayor velocidad de captación. El termistor, termistor, que es una castellanización castellanización del inglés inglés thermistor. thermistor. Son resistores variables con la temperatura, pero basados en semiconductores, y siendo esa variación no lineal. lineal. Si su coeficient coeficientee de temperat temperatura ura es menor que cero se llaman NTC y si es  positivo PTC. Sus símbolos eléctricos son:

Su fundamento es la dependencia de la resistencia de los semiconductores con la temperatura, debida debida a la variación con ésta ésta del número de portadores. portadores. Al aumentar la temperat temperatura, ura, lo hace el número de portadores portadores y se reduce la resistenc resistencia ia (NTC). Si el

22

dopa dopado do es mu muyy inte intens nso, o, el semi semico cond nduc ucto torr adqu adquie iere re prop propie ieda dade dess metá metáli lica cass con con coeficiente coeficiente de temperatura positivo (PTC). Las NTC se fabrican a base de mezclar y sintetizar óxidos dopados de metales como como nique niquel,l, cobalto, cobalto, mangane manganeso, so, hierro hierro y cobre. cobre. El proceso proceso se realiz realizaa en una atmósfera controlada controlada dándoles dándoles la forma y tamaño tamaño deseados. deseados. La proporción de óxidos óxidos determin determinaa la resistenci resistenciaa y el coeficient coeficientee de temperat temperatura. ura. Para altas temperatu temperaturas ras se emplean óxidos de ytrio y circonio. Las PTC de conmutación están basadas en titanato de bario al que se añade titanato de plomo o de circonio para determinar la temperatura de conmutación, y las de medida, están basadas en silicio dopado (fig. 18).

Fig. 18 Las formas de gota, escama y perla se prefieren para aplicaciones de medida de temperatura, mientras que las de disco, arandela y varilla son para compensación y control de tempèratura y para aplicaciones con autocalentamiento. Existen otros detectores de temperatura, como por ejemplo: Los transductores piroeléctricos o detectores de radiación , que captan la energía que radia del cuerpo del que se quiere captar la temperatura y la enfocan sobre un elemento sensible. sensible. El efecto piroeléctrico piroeléctrico es análogo al piezoeléctrico, piezoeléctrico, apareciendo apareciendo cargas superficiales en una dirección determinada cuando el material experimenta un cambio de temperatura, debido al cambio de su polarización espontánea al variar la temperatura. 23

Como también se basa en la anisotropía de los cristales, muchos materiales   piezo piezoelé eléctr ctrico icoss son tambi también én piroel piroeléct éctric ricos os..

De las las 20 clase clasess crist cristalo alográ gráfic ficas as no

centrosimétricas, centrosimétricas, 10 tienen eje eje polar de simetría y son son piroeléctricos. piroeléctricos. Hay dos grupos: los lineales, donde la polarización no se puede cambiar a base de invertir el sentido del campo campo eléctr eléctrico ico,, como como la turmal turmalin ina, a, sulfat sulfatoo de litio, litio, de cadmi cadmioo y seleni selenio, o, y los ferroeléctricos como el tantalato de litio. Las propiedades piroeléctricas desaparecen cuando se alcanza la temperatura de Curie. La aplicación más inmediata es la detección térmica a temperatura ambiente, como pirómetros (fig. 19) (medida de temperatura a distancia), radiómetros (medida de la pote potenc ncia ia gene genera rada da por por una una fuen fuente te de radi radiac ació ión) n),, dete detect ctor ores es de intr intrus usos os y en termómetros de alta resolución.

Fig. 19 El termómetro de cristal de cuarzo. cuarzo . Se trata trata de un tansduct tansductor or de frecuenci frecuenciaa variable, que mide la frecuencia de un oscilador de cuarzo en contacto con el cuerpo que se va a medir, frecuencia que variará con la temperatura a la que está sometido el cristal. Se basa en el coeficiente coeficiente de temperatura de un oscilador de cuarzo piezoeléctrico (fig. 20). Para alta frecuenc frecuencia, ia, se utiliza utiliza este modelo eléctric eléctricoo para un element elementoo con electrodos metálicos metálicos depositados en dos de sus caras. L1 viene determinada por la masa del cristal, C1 por la elasticidad o compliancia mecánica, R1 por la fricción interna y C0 es la capacidad del soporte del cristal en paralelo con la de los electrodos metálicos, metálicos, con el material piezoeléctrico, como díeléctrico. La presencia de un circuito resonante  permite emplear dicho elemento como base de un oscilador.

24

Fig. 20 Una variante basada en un oscilador piezoeléctrico emplea la influencia de la masa en la frecuencia de asignación. Se aplica a la medida de humedad, y para ello se recubre el cristal con un material higroscópico que se expone al ambiente cuya humedad se desea medir. El agua absorbida provoca un aumento de la masa y hace disminuir la frecuencia de oscilación del cristal.

BIBLIOGRAFÍA •

RAMÓN PALLAS PALLAS ARENY: “transductores “transductor es y acondicionadores de señal”. Ed. Marcombo.

•

CREUS: “Instrumentación industrial”. Ed. Marcombo.

•

VARIOS AUTORES: “Maniobra, mando y control eléctricos”. Ed. CEAC.

•

CREUS SOLÉ: “Instrumentos “Instrum entos industriales: su ajuste y calibración”. Ed. Marcombo.

•

ALBERT GORDILLO: “Extensometría “Extensometrí a y transductores transductor es de fuerza. Transductores y medidores electrónicos”. electrónicos”. Ed. Marcombo. Marcombo. 25

26