Sensores y Transductores Industriales: Tipos, Funcionamiento y Aplicaciones

Sensores, Transductores y Actuadores en la Industria

Conceptos Básicos

Transductor: De manera general, podemos decir que es un elemento o dispositivo que tiene la misión de traducir o adaptar un tipo de energía en otro más adecuado para el sistema. Es decir, convierte una magnitud física, no interpretable por el sistema, en otra variable interpretable por dicho sistema. El transductor transforma la señal que entrega el sensor en otra, normalmente de tipo eléctrico. El transductor suele incluir al sensor.

Captador: Es un dispositivo encargado de recoger o captar un tipo de información en el sistema para realimentarla.

Servomotor: Motor con control de posición en lazo cerrado.

Servomecanismo: Es un servosistema en el que la salida es una posición, velocidad o aceleración.

Tipos de Transductores

Transductores de Posición

Son interruptores que sirven para determinar la posición de un objeto o de una pieza móvil. Cuando el objeto o la pieza alcanza el extremo de su carrera, actúan sobre una palanca, émbolo o varilla, produciendo el cambio de unos pequeños contactos.

Transductores de Proximidad

Se denominan así a cualquier dispositivo eléctrico, electromecánico o electrónico que reaccione de forma aprovechable ante un objeto situado en un entorno definido del mismo. El entorno de reacción define el campo de sensibilidad. Para que la reacción se produzca, sólo se precisa la proximidad física entre el objeto y el detector, sin que haya ningún tipo de contacto mecánico entre ellos.

Son todos los dispositivos detectores de proximidad que utilizan un campo magnético (estacionario o variable) como fenómeno físico aprovechable para reaccionar frente al objeto que se quiere detectar. En función de los distintos tipos de materiales ante los que son capaces de reaccionar, se clasifican en: sensibles a materiales ferromagnéticos, de contacto laminar, sensibles a materiales metálicos y de bobina.

Transductores de Desplazamiento

Para Grandes Distancias

Utilizan principalmente el radar. El radar es un sistema para detectar, mediante el empleo de ondas electromagnéticas, la presencia y la distancia a la que se encuentran objetos que interceptan en su propagación. Por medio de una antena, emiten radiaciones electromagnéticas en una determinada dirección. Un receptor amplifica los ecos que recibe del objeto cuya distancia D se desea medir.

Para Pequeños Desplazamientos

Según sea el tipo de transductor, pueden ser:

• Resistivos: Existen resistencias de hilo metálico o material semiconductor construidas para variar la resistencia al ser deformadas. Estas resistencias se llaman bandas extensiométricas, y se adhieren sobre el soporte adecuado para medir su deformación. También se emplean potenciómetros (resistores sobre los que se desliza un contacto eléctrico llamado cursor).

Detectores Ópticos

Los hay para distancias grandes y pequeñas, por eso a veces sólo se les denomina detectores ópticos. También se les suele llamar fotocélulas. Utilizan medios ópticos y electrónicos para detectar objetos. Para ello, utilizan una luz roja (visible) o infrarroja (invisible). Como fuente de luz, se utilizan diodos o transistores emisores de luz. Los detectores de luz roja se ajustan mejor que los de luz infrarroja. La luz infrarroja es menos susceptible a las interferencias producidas por la luz ambiental. Estos detectores constan de un emisor y un receptor. La detección se realiza por reflexión, al devolver el objeto la luz recibida, o por barrera.

Medidores de Ángulos o Transductores de Desplazamiento Angular

Son muy utilizados en los sistemas de control, fundamentalmente cuando se desea medir la variación producida en el eje rotor de un sistema motor-reductor. Al igual que en los transductores lineales, podemos construir transductores angulares aprovechando el efecto resistivo (potenciómetros), inductivo y capacitivo, pero también se pueden utilizar discos codificados (encoders) que permiten un tratamiento digital de la información angular medida.

Transductores de Presión

Utilizan un elemento mecánico elástico (Bourdon, espiral, fuelle, etc.) combinado con un transductor eléctrico que se encarga de generar la señal eléctrica correspondiente.

Galgas Extensiométricas

Las galgas extensiométricas se basan en la variación de longitud y diámetro (y, por lo tanto, de resistencia) que tiene lugar en un hilo de conductor o semiconductor al ser sometido a un esfuerzo mecánico como consecuencia de una presión (efecto piezorresistivo).

Transductores Piezoeléctricos

El efecto piezoeléctrico consiste en la aparición de cargas eléctricas en determinadas zonas de una lámina cristalina de algunos materiales siguiendo ciertos ejes, en respuesta a la aplicación de una tensión. El cristal se coloca entre dos láminas metálicas que recogen las cargas eléctricas, siendo posible de esta forma medir las variaciones de presión.

Resistivos

La presión desplaza un cursor a lo largo de una resistencia a modo de potenciómetro, cuyo valor se modifica proporcionalmente a la presión aplicada.

Capacitivos

Miden la presión por medio de un diafragma metálico que constituye una de las placas del condensador. Cualquier cambio de presión hace variar la separación entre el diafragma y la otra placa, modificándose la capacidad del condensador.

Medidores de Velocidad

Tacómetros Mecánicos

El más sencillo es el contador de revoluciones. Consiste en un tornillo sinfín que se acopla al eje cuya velocidad se quiere medir. Este tornillo hace rotar, por un sistema de engranajes, a dos diales concéntricos calibrados. Cada división del dial exterior representa una vuelta del eje giratorio, mientras que cada división del dial interior corresponde con una vuelta del dial externo.

Tacómetros Eléctricos

Los más importantes son:

• Tacodinamos o dinamos tacométricas: proporcionan una señal de corriente continua. Están constituidos por un inductor que genera un campo magnético mediante imanes permanentes o electroimanes y un inducido o rotor ranurado sobre el que se bobinan unos devanados de hilo conductor.

Medidores de Velocidad por Impulsos y Sistemas Ópticos

Si tenemos un eje en el cual hacemos una muesca capaz de ser detectada por un detector inductivo de proximidad o mediante un sistema óptico, también podemos medir la velocidad conociendo el número de veces que la muesca pasa por delante del detector.

Medidores de Temperatura

Termorresistencias

Se basan en la variación de la resistencia de un conductor con la temperatura. Se denominan también sondas de resistencia, sondas termométricas o simplemente resistencias RTD. Sabemos que existe una relación entre la resistencia y la temperatura de un cuerpo.

Termistores

Se basan en la variación de la resistencia de un semiconductor con la temperatura. En función de cómo varía la resistencia con la temperatura...

...sus extremos (efecto Seebeck). Cuando la unión se calienta, aparece una diferencia de potencial entre los extremos libres. El efecto Seebeck recoge conjuntamente dos efectos: Peltier y Thomson.

Pirómetros de Radiación

Se basan en la ley de Stefan-Boltzmann, que dice que la intensidad de la energía radiante emitida por la superficie de un cuerpo es función de la cuarta potencia de la temperatura absoluta del cuerpo.

Otros Componentes en Sistemas de Control

Este tipo de elemento compara el valor de la variable controlada y el valor de consigna, emitiendo una señal de error que indica la diferencia entre el valor obtenido a la salida y el valor requerido.

Son los órganos de mando de una válvula, compuerta, etc., entre los que pueden estar las bobinas y los relés, capaces de obedecer a una señal eléctrica o neumática procedente del controlador. Se pueden emplear servomotores de válvula o de pistón sobre los que actúa la presión del aire o de otro fluido. Desde el punto de vista eléctrico, existen los servomotores de corriente continua y de corriente alterna. Los de corriente continua presentan un mayor rendimiento que los de corriente alterna. Los tipos de amplificadores más usados son de tipo electrónico o hidráulico. Los circuitos finales de control más empleados son: cilindros hidráulicos, motores de corriente continua, motores de corriente alterna y motores paso a paso.

Sensores de Luz

Hacen uso de las radiaciones luminosas. Los más importantes son las fotorresistencias o LDR, los fotodiodos y los fototransistores.

LDR

Varían su resistencia dependiendo de la luz que incide sobre ellas. Son de coeficiente de luz negativo, es decir, la resistencia disminuye al aumentar la luz o viceversa.

Fotodiodos

Su funcionamiento se basa en la conducción inversa de un diodo cuando éste se somete a la acción de la luz. Al aumentar la cantidad de luz incidente, se incrementa la circulación de corriente inversa. Cuando no hay luz, se comportan como un diodo normal.