Fundamentos de Sensores y Transductores: Funcionamiento y Aplicaciones Industriales

Sensores y Transductores: Conceptos Fundamentales

Un sensor es un dispositivo que detecta una magnitud física y la transforma en una señal eléctrica.

Un transductor es un dispositivo que convierte una forma de energía en otra; normalmente transforma una magnitud física en una señal eléctrica.

Clasificación de Sensores

• Sensores activos: Ejemplo: termopar.
• Sensores pasivos: Ejemplo: RTD.
• Sensores analógicos: Ejemplo: termistor.
• Sensores digitales: Ejemplo: sensor de proximidad.

Configuración a Tres Hilos en Sensores Resistivos

Esta configuración se utiliza en sensores resistivos (RTD) integrados en un puente de Wheatstone para compensar la resistencia de los cables y mejorar la precisión de la medida.

Condición de equilibrio del puente: R1 * R2 = R3 * R4

Si los cables tienen la misma resistencia (Rc):

• R3 = Rs + Rc
• R4 = Rreg + Rc

Si el puente es simétrico: Rs + Rc = Rreg + Rc → Rreg = Rs

Resultado: La resistencia de regulación debe ser igual a la del sensor.

Compensación de la Unión Fría en Termopares

Consiste en corregir la tensión del termopar cuando la unión de referencia no está a 0 °C. Se mide la temperatura de la unión fría con un sensor auxiliar (RTD o termistor) y se genera una tensión equivalente que se suma a la del termopar mediante un amplificador operacional.

Objetivo: Obtener la temperatura real de la unión caliente.

Bloques del Circuito de Compensación

• Termopar → Amplificador → Sumador → Salida
• Sensor unión fría → Generador de tensión → Sumador

Cuestionario de Autoevaluación (Test)

1. De acuerdo con la siguiente curva de calibración lineal, ¿cuál de las siguientes afirmaciones es verdadera?
   Respuesta: Ninguna de las anteriores.
2. De acuerdo con las siguientes curvas de calibración de los sensores A y B, ¿cuál de las siguientes afirmaciones es verdadera?
   Respuesta: El sensor A es más sensible que el B.
3. ¿Cuál de las siguientes afirmaciones es verdadera?
   Respuesta: La medida a tres hilos es más precisa que la medida a dos hilos para longitudes grandes de cable.
4. Afirmación verdadera: La compensación de la unión fría de un termopar es independiente de la temperatura del proceso.

Cálculos y Fórmulas para Sensores PT100

Para una PT100, los valores estándar suelen ser: RTref = 100 Ω, Ro = 100 Ω y To = 0 °C (si no se indica lo contrario).

• Coeficiente de temperatura (α): α = (RThigh - RTlow) / ((Thigh - Tlow) · RTref)
• Resistencia a una temperatura T (Rx): Rx = Ro · (1 + α · (T - To))

Función de Calibración: Conjunto Sensor más Acondicionador

Vout = ((Rx - R) / ((R1 + Rx) · (R1 + R))) · R1 · Vin

Función de Calibración Linearizada

Considerando que R1 >> Rx: Vout = ((Rx - R) / (R1 + R)) · Vin

Parámetros de Error y Ajuste

• ERROR: (Calibrada - Lineal de T deseada) / (Calibrada máx - mín)
• OFFSET: Vmín (medida) - Calibrada (Tmín)
• GANANCIA: (Vmáx - Vmín medida) / (Calibrada máx - mín)

Evaluación de Errores en Termopares

Comparación entre la gráfica lineal y la real:

1. Calcular la ecuación de malla y obtener V para la temperatura (T) indicada.
2. Obtener V para la temperatura indicada a partir de la tabla de referencia.
3. ERROR: ΔV
4. ERROR RELATIVO: Error / V (valor obtenido en el punto 2).
5. ERROR MÁXIMO DE NO LINEALIDAD: Error / (Vmáx - Vmín de la gráfica dibujada).

Circuitos de Medición: Puente de Wheatstone y Amplificadores