Principios y Aplicaciones de Sensores: Temperatura, Desplazamiento y Acondicionamiento de Señales

Principios y Tipos de Sensores: Temperatura, Desplazamiento y Acondicionamiento de Señal

Sensores de Temperatura: Fundamentos y Variedades

Los sensores de temperatura son dispositivos cruciales en múltiples aplicaciones. Se clasifican principalmente en:

• Sensores Resistivos: Basan su funcionamiento en la variación de la resistencia eléctrica de un material con la temperatura (ej. RTD, termistores).
• Termocuplas: Generan voltaje debido al efecto Seebeck.
• Sensores de Semiconductor: Utilizan las propiedades de los semiconductores sensibles a la temperatura (ej. diodos, transistores, CI).
• Sensores Integrados (CI): Circuitos integrados que ofrecen salidas calibradas y a menudo digitalizadas.

Termocuplas: Funcionamiento y Características

Una termocupla es un sensor de temperatura que destaca por no requerir alimentación externa y por su rápida respuesta a la variación de temperatura. Su funcionamiento se basa en el efecto Seebeck: genera una diferencia de potencial (voltaje) que es función de la diferencia de temperaturas entre sus dos uniones. Los conductores de la termocupla, de materiales distintos, están unidos en el extremo donde se desea medir la temperatura (unión de medida) y abiertos en el otro extremo (unión de referencia), donde se mide la tensión generada. La principal diferencia física entre los distintos tipos de termocupla radica en la composición de estos conductores.

El Factor K en Puentes Resistivos

El factor K se utiliza para simplificar la selección de las resistencias que conforman un puente resistivo (como el puente de Wheatstone). Se busca que las resistencias superiores de cada rama sean iguales a las resistencias inferiores multiplicadas por este factor K. Este factor se determina en función de un error absoluto máximo deseado para la medición del puente.

Transmisión de Señales: Tensión vs. Corriente

Ventajas y Desventajas

Transmisión por Tensión:

• Ventaja: Simplicidad en el diseño del circuito.
• Desventaja: Las caídas de tensión en la línea de transmisión obligan a limitar el rango de transmisión para mantener la integridad de la señal.

Transmisión por Corriente (ej. 4-20mA):

• Ventaja: Mayor inmunidad al ruido y a las caídas de tensión en la línea, permitiendo mayores distancias de transmisión.
• Desventaja: Puede requerir circuitos ligeramente más complejos.

Uso de Lógica TTL para Generación de Frecuencia

Sí, utilizar lógica TTL (Transistor-Transistor Logic) ayuda a simplificar la electrónica necesaria tanto para generar la frecuencia a transmitir como para decodificar dicha frecuencia en el receptor. Esto es útil en sistemas donde la información se modula o transmite como una señal de frecuencia.

Comunicación de Datos: Serial vs. Paralela

• Transmisión Serial:
  • Requiere menos cables (típicamente uno para datos, más reloj y tierra).
  • Es generalmente más lenta que la paralela para la misma frecuencia de reloj.
  • Menor susceptibilidad a diafonía a largas distancias.
• Transmisión Paralela:
  • Requiere más cables (uno por cada bit de datos, más control).
  • Es más rápida para transferir un bloque de datos, ya que múltiples bits se envían simultáneamente.
  • A medida que aumenta la velocidad y la longitud del cable, los cables pueden contaminarse entre sí debido a tensiones inducidas (diafonía o crosstalk).

Conceptos Fundamentales en Sistemas de Medición

Sensor

Un sensor es un dispositivo que convierte variables físicas (como temperatura, presión, desplazamiento, luz) en variables eléctricas (como voltaje, corriente, resistencia, capacitancia) que pueden ser procesadas por sistemas electrónicos.

Acondicionador de Señal

El acondicionador de señal es una etapa crucial que modifica las variables eléctricas provenientes del sensor o aísla la etapa del sensor del resto de los dispositivos electrónicos. Su propósito es preparar la señal para su procesamiento, visualización o control.

Funciones principales de un acondicionador de señal:

• Generación de Señal Adecuada: A partir de la salida del sensor/transductor, genera una señal eléctrica (generalmente voltaje o corriente) con características óptimas.
• Ganancia: Amplifica la señal del sensor a niveles adecuados para el dispositivo que la procesará.
• Linealización: Corrige las no linealidades inherentes a la respuesta del sensor para que la salida sea proporcional a la magnitud medida.
• Desplazamiento (Offset): Ajusta el nivel cero de la señal.
• Aislamiento: Proporciona aislamiento eléctrico para proteger equipos sensibles, romper bucles de tierra y mejorar la seguridad.
• Transformación de Variables: Convierte la señal a un formato diferente (ej. resistencia a voltaje, voltaje a corriente).
• Filtrado y Rechazo a Modo Común (CMRR): Elimina ruido no deseado y señales interferentes que afectan a ambos terminales de entrada por igual.

Sensores de Desplazamiento

Desplazamiento Lineal

Miden el movimiento a lo largo de una línea recta. Algunos tipos comunes son:

• Potenciómetro Lineal: Un resistor variable cuyo valor cambia con la posición de un cursor.
• Transformador Diferencial de Variación Lineal (LVDT): Mide el desplazamiento mediante la variación de acoplamiento magnético entre bobinas.
• Codificadores Lineales:
  • Incremental: Cuenta los cambios de estado (pulsos) generados por el movimiento a lo largo de una cinta o regla graduada para determinar el desplazamiento relativo. Requiere un punto de referencia.
  • Absoluto: Codifica cada posición como un número binario único a lo largo de la cinta, por lo que conoce la posición absoluta en todo momento. Su rango está limitado por el número de pistas (2ⁿ posiciones, donde n es el número de pistas).

Desplazamiento Angular

Miden el movimiento de rotación. Los principios son similares a los de desplazamiento lineal:

• Potenciómetro Rotatorio.
• Codificadores Angulares (Rotary Encoders): Incrementales y absolutos, análogos a sus contrapartes lineales.
• Synchros y Resolvers: Dispositivos electromecánicos para medir ángulos con alta precisión.

Medición de Corriente

Métodos comunes para medir corriente eléctrica:

• Celdas LEM (o sensores de efecto Hall): Miden el campo magnético producido por la corriente para determinar su magnitud, ofreciendo aislamiento.
• Resistencia en Serie (Shunt): Se inserta una resistencia de bajo valor conocida en el circuito y se mide la caída de tensión a través de ella (V = I*R).

Profundizando en Codificadores Incrementales y Absolutos

El funcionamiento de un codificador incremental, ya sea lineal o angular, se basa en llevar un conteo de los pulsos generados por un sensor óptico (fotorreceptor) al pasar por marcas en un disco o regla, para así determinar la posición o el desplazamiento angular/lineal relativo desde un punto de inicio.

Comparativa:

• Codificador Incremental:
  • Ventaja: Se puede manipular su resolución (pulsos por revolución o por unidad de longitud) cambiando el disco/regla o la electrónica de conteo. Son generalmente más simples y económicos.
  • Desventaja: Al no tener una codificación única para cada posición (solo genera pulsos), no puede determinar la posición absoluta al encenderse sin un movimiento de referenciación. Si se pierden pulsos (por ruido o velocidad excesiva), el error de posición se acumula.
• Codificador Absoluto:
  • Ventaja: Proporciona la posición exacta en todo momento, incluso después de un corte de energía, ya que cada posición tiene un código binario único.
  • Desventaja: Suelen ser más complejos y costosos. La resolución es fija y está determinada por el número de pistas en el disco/regla.

Nota sobre la desventaja mencionada en el texto original ("al no agregarse una nueva pista no se podría determinar en todo momento sin necesidad de hacer cambios"): Esto se refiere principalmente a los codificadores incrementales básicos. Los codificadores absolutos, por su diseño con múltiples pistas, sí determinan la posición en todo momento.