Fundamentos de Transductores y Sensores para Medición Eléctrica

Componentes y Características de Sistemas de Medición

Sensor: Convierte la magnitud física a medir en otra (eléctrica o no) que el transductor es capaz de convertir en una señal susceptible de medida.

Sonda: Conjunto de bornes y vainas metálicas que protegen los sensores.

Acondicionador: Adecula la señal de salida del sensor para su medida. Convierte la señal del sensor en normalizada de intensidad (4-20mA) o tensión (0-10V).

Características Generales de Dispositivos de Medición:

• Campo de medida: Conjunto de valores de la magnitud medida para los que da señal de salida el dispositivo.
• Alcance (span): Diferencia entre el máximo y el mínimo del campo de medida.
• Sensibilidad (pendiente de la recta: m=ΔSalida/ΔEntrada): Relación entre el incremento producido a la salida del dispositivo y el incremento de la magnitud aplicado a la entrada (lineal = constante).
• Curva característica: Representación gráfica que relaciona la señal obtenida a la salida en función de la magnitud de entrada.
• Resolución: Mínima variación detectable (a la salida) de la magnitud de entrada.
• Error de medida: Razón entre el error total y el rango de medida (%).
• Error total: Diferencia entre el valor medido y el real.

Errores Comunes en Transductores:

• Error de cero (offset): Ocurre cuando la magnitud a medir es nula y la señal proporcionada por el transductor no lo es.
• Error de linealidad: Se presenta cuando la curva característica no es una recta.
• Error de Histéresis: Sucede cuando la característica del transductor con valores crecientes no coincide con la decreciente.

La precisión se puede calcular como: Precisión = √(E. linealidad² + Histéresis² + Repetibilidad²)

Respuesta temporal: Indica cuánto tiempo le toma al transductor realizar una medición precisa.

Condiciones de trabajo: Incluyen factores ambientales como las condiciones climáticas.

Efectos Físicos Utilizados en Transductores

Los transductores aprovechan diversos efectos físicos para su funcionamiento:

• Piezoeléctrico
• Resistivo
• Capacitivo
• Inductivo
• Reductivo (posiblemente se refiera a inductivo o magnético)
• Fotovoltaico
• Radiactivo

Sensores de Temperatura

La conversión de temperatura a grados Celsius se realiza mediante la fórmula: t(°C) = T(K) - 273.15

Tipos de Sensores de Temperatura:

1. Termopares:

Están formados por la unión de dos metales distintos. Su funcionamiento se basa en el efecto Seebeck (que incluye el efecto Peltier y el efecto Thomson), el cual describe la circulación de una corriente en un circuito formado por dos metales diferentes cuyas uniones se mantienen a distinta temperatura.

• Lineales: Tipos T, J, E, K.
• Menos lineales: Tipos R, S, B.

2. Termorresistencias (RTD - Resistance Temperature Detector):

Su resistencia eléctrica aumenta con la temperatura.

• Materiales comunes: Platino (Pt), níquel (Ni), cobre (Cu), película metálica.
• La relación entre resistencia y temperatura se puede aproximar mediante la fórmula del Puente de Wheatstone: RT = Ro(1 + αΔT), donde Ro es la resistencia a 0°C y α es el coeficiente de temperatura.

3. Termistores:

Son semiconductores con un elevado coeficiente de temperatura, experimentando cambios muy grandes de resistencia frente a cambios térmicos.

• NTC (Negative Temperature Coefficient): Tienen un coeficiente de temperatura negativo, lo que significa que al aumentar la temperatura, disminuye su resistencia. La fórmula aproximada es: RT = Ro * e^(B(1/T - 1/To)). El termistor tipo perla es el más utilizado para la medida de temperatura. Su margen de temperatura de trabajo está comprendido entre –250 °C y 300 °C.
• PTC (Positive Temperature Coefficient): Tienen un coeficiente de temperatura positivo, lo que significa que al aumentar la temperatura, aumenta su resistencia. El margen de temperatura de trabajo es más estrecho, comprendido entre –50 °C y 150 °C.

4. Semiconductores Integrados:

Circuitos integrados que generan una salida proporcional a la temperatura.

• Salida en tensión: Ejemplos como el LM35 (sensibilidad 10mV/°C) y el LM135 (sensibilidad 10mV/°K).
• Salida en corriente: Ejemplo como el AD590 (sensibilidad 1µA/°C).
• Ventajas: Buena linealidad, nivel de salida alto, bajo coste.
• Desventajas: Respuesta lenta, autocalentamiento, margen de temperatura limitado.

5. Otros Sensores de Temperatura:

• Pirómetros
• Termómetros de fibra óptica
• Sensores por ultrasonido
• Cristal de cuarzo
• Termómetros bimetálicos

Montaje y Precauciones para PT100:

El principio de funcionamiento de una PT100 se basa en la modificación de su resistencia eléctrica, la cual varía según la temperatura a la que es sometida.

Se deben tener ciertas precauciones de limpieza y protección durante la instalación de las PT100 para prevenir errores causados por fugas de corriente. Es común que los cables en ambientes muy húmedos se deterioren, provocando un paso de corriente entre ellos a través de humedad condensada.

Es importante considerar que existen distintas calidades y precios para el elemento sensor que se encuentra en el extremo de la PT100. En general, no se debe montar una PT100 en lugares sometidos a mucha vibración, ya que es probable que el elemento sensor se fracture.