Sensores Industriales: Funcionamiento, Tipos y Aplicaciones en Medición de Variables Físicas

Sensores Industriales: Principios y Aplicaciones Clave

1. Transformador Variable como Sensor de Posición

Funcionamiento Básico

Si en un transformador uno o varios de los devanados pueden desplazarse, lineal o angularmente, respecto a los demás, variando el acoplamiento entre primarios y secundarios (es decir, la inductancia mutua entre ellos), también variará la tensión inducida en los devanados si uno o varios se excitan con una tensión alterna.

Fórmula

Aunque no se proporciona una fórmula explícita en el texto original, el comportamiento se basa en la relación de transformación y la inductancia mutua variable. La tensión de salida (V_s) sería proporcional a la tensión de entrada (V_p) y a la relación de espiras efectiva (N_s/N_p), la cual cambia con el desplazamiento:

V_s = V_p * (N_{s_efectiva} / N_p)

Donde N_{s_efectiva} varía con la posición.

Ejemplo de Uso

• Medición de posición lineal o angular en maquinaria industrial.
• Control de voltaje de salida en sistemas de alimentación, actuando como un variador de tensión.

2. Sensor Electromagnético Tacogenerador

Funcionamiento Básico

El tacogenerador es un sensor electromagnético de reluctancia variable. Consta de una rueda dentada de material ferromagnético (unida al eje rotatorio) y una bobina enrollada en un imán permanente. Al girar la rueda, la reluctancia del circuito magnético varía, induciendo una tensión alterna en la bobina cuya frecuencia y amplitud son proporcionales a la velocidad de rotación.

Fórmula

La tensión de salida (V_out) de un tacogenerador es directamente proporcional a la velocidad angular (ω):

V_out = K * ω

Donde K es una constante de proporcionalidad del tacogenerador.

Ejemplos de Uso

• Tacómetros para medir la velocidad de rotación.
• Máquinas textiles para control de velocidad de bobinado.
• Encoders para retroalimentación de posición y velocidad.
• Anemómetros para medir la velocidad del viento.

3. Sensor Electromagnético de Velocidad Lineal

Funcionamiento Básico

Para medir velocidades lineales, no siempre es posible su conversión a velocidad angular y la posterior aplicación de un tacómetro. Esto sucede, entre otros, en el caso de la medida de vibraciones. Los sensores de velocidad lineal permiten la medida directa, generando una señal eléctrica proporcional a la velocidad de desplazamiento lineal.

Fórmula

Similar a los tacogeneradores, la tensión de salida (V_out) es proporcional a la velocidad lineal (v):

V_out = K * v

Donde K es una constante de proporcionalidad del sensor.

Ejemplos de Uso

• Retroalimentación de posición en servomecanismos.
• Medición automática en herramientas de precisión.
• Detección de vibraciones en estructuras y maquinaria.
• Diversos usos industriales y científicos para la medición directa de movimiento lineal.

4. Caudalímetro Electromagnético

Funcionamiento Básico

Los caudalímetros electromagnéticos se basan en la Ley de Faraday de la Inducción Electromagnética. Se utilizan con líquidos conductores que se desplazan en el seno de un campo magnético creado por dos bobinas externas. En dos electrodos dispuestos a 90 grados respecto al flujo y al campo, se recoge una pequeña tensión eléctrica que obedece a la ecuación de Faraday.

Fórmula

La tensión inducida (V) es proporcional a la velocidad del flujo (v), la intensidad del campo magnético (B) y la distancia entre los electrodos (D):

V = B * D * v

Dado que el caudal (Q) es proporcional a la velocidad (v) y al área de la sección transversal (A), la tensión también es proporcional al caudal:

Q = v * A => v = Q / A

V = B * D * (Q / A)

Por lo tanto, V = K * Q, donde K es una constante que depende de B, D y A.

Ejemplo de Uso

• Medición precisa del caudal de líquidos eléctricamente conductivos (agua, ácidos, bases, lodos) en tuberías industriales.
• Aplicaciones en la industria química, alimentaria, farmacéutica y de tratamiento de aguas.

5. Potenciómetro como Sensor de Posición Resistivo

Contexto del Problema

Se propone un potenciómetro como sensor de posición resistivo con el comportamiento de la siguiente tabla, en un circuito de puente de Wheatstone con las resistencias indicadas. Se busca determinar el rango de voltajes V_ab esperados.

Tabla de Comportamiento del Potenciómetro (R_x vs. Distancia)

Rx (kΩ) | Distancia (cm)
------------|---------------
100         | 100
50          | 50
1           | 1

Resistencias del Puente de Wheatstone

• R1 = 250 kΩ
• R2 = 250 kΩ
• R3 = 50 kΩ

Cálculo del Rango de Voltajes V_ab

Para un puente de Wheatstone, el voltaje V_ab se calcula como:

V_ab = V_fuente * [(R2 / (R1 + R2)) - (R_x / (R3 + R_x))]

Asumiendo una fuente de voltaje V_fuente (no especificada, pero necesaria para un valor absoluto de V_ab). Si solo se pide el rango relativo o la relación, se puede omitir V_fuente o asumir 1V para el cálculo de la relación.

Caso 1: R1=250kΩ, R2=250kΩ, R3=50kΩ

El término (R2 / (R1 + R2)) = (250 / (250 + 250)) = 250 / 500 = 0.5

• Cuando R_x = 100 kΩ: (R_x / (R3 + R_x)) = (100 / (50 + 100)) = 100 / 150 ≈ 0.6667

V_ab = V_fuente * (0.5 - 0.6667) = V_fuente * (-0.1667)

Cuando R_x = 50 kΩ: (R_x / (R3 + R_x)) = (50 / (50 + 50)) = 50 / 100 = 0.5

V_ab = V_fuente * (0.5 - 0.5) = V_fuente * (0)

Cuando R_x = 1 kΩ: (R_x / (R3 + R_x)) = (1 / (50 + 1)) = 1 / 51 ≈ 0.0196

V_ab = V_fuente * (0.5 - 0.0196) = V_fuente * (0.4804)

El rango de V_ab para este caso es de -0.1667 * V_fuente a 0.4804 * V_fuente.

Caso 2: R1=R2=R3=50kΩ

El término (R2 / (R1 + R2)) = (50 / (50 + 50)) = 50 / 100 = 0.5

• Cuando R_x = 100 kΩ: (R_x / (R3 + R_x)) = (100 / (50 + 100)) = 100 / 150 ≈ 0.6667

V_ab = V_fuente * (0.5 - 0.6667) = V_fuente * (-0.1667)

Cuando R_x = 50 kΩ: (R_x / (R3 + R_x)) = (50 / (50 + 50)) = 50 / 100 = 0.5

V_ab = V_fuente * (0.5 - 0.5) = V_fuente * (0)

Cuando R_x = 1 kΩ: (R_x / (R3 + R_x)) = (1 / (50 + 1)) = 1 / 51 ≈ 0.0196

V_ab = V_fuente * (0.5 - 0.0196) = V_fuente * (0.4804)

Curiosamente, el rango de V_ab para este caso es el mismo: -0.1667 * V_fuente a 0.4804 * V_fuente, ya que R1 y R2 siguen siendo iguales, manteniendo el primer término en 0.5, y R3 es 50kΩ en ambos escenarios para el cálculo de R_x.