Los
sensores o transductores, en general, son dispositivos que transforman una cantidad
física cualquiera, por ejemplo la temperatura en otra cantidad física equivalente,
digamos un desplazamiento mecánico. En este párrafo nos referiremos principalmente
a los sensores eléctricos, es decir aquellos cuya salida es una señal eléctrica
de corriente o voltaje, codificada en forma análoga o digital. Los sensores posibilitan
la comunicación entre el mundo físico y los sistemas de medición y/o decontrol,
tanto eléctricos como electrónicos, utilizándose extensivamente en
todo tipo deprocesos industriales y no industriales para propósitos
de monitoreo, medición, control y procesamiento. En un sentido más amplio,
el uso de los sensores no se limita solamente a la medición o la detección
de cantidades físicas. También pueden ser empleados para medir o detectar
propiedades químicas y biológicas. Asimismo, la salida no siempre tiene que ser
una señal eléctrica. Por ejemplo, muchos termómetros utilizan como sensor una lámina
bimetálica, formada por dos metales con diferentes coeficientes de dilatación, la cual produce un desplazamiento (señal
mecánica) proporcional a la temperatura(señal térmica).De hecho, desde un punto de vista teórico, tanto
la entrada como la salida de unsensor pueden ser una combinación cualquiera de
los siguientes seis tipos básicos devariables existentes en la naturaleza:
Variables
mecánicas.
Longitud,
área, volumen, flujo másico, fuerza, torque, presión,velocidad, aceleración, posición, longitud de onda acústica, intensidad
acústica, etc.
Variables
térmicas.
Temperatura,
calor, entropía, flujo calórico, etc.
Variables
eléctricas.
Voltaje,
corriente, carga, resistencia, inductancia, capacitancia,constante dieléctrica,
polarización, campo eléctrico, frecuencia, momento bipolar, etc.
Variables
magnéticas.
Intensidad
de campo, densidad de flujo momento magnético,permeabilidad, etc.
Variables
ópticas.
Intensidad,
longitud de onda, polarización, fase, reflectancia, transmitancia, índice de
refracción, etc.
Variables
químicas o moleculares.
Composición, concentración, potencial redox, velocidad de reacción, pH, olor, etc. En la
práctica de la electrónica industrial, sin embargo, los sensores preferidos, y
a los cuales dedicaremos la mayor atención aquí, son aquellos que ofrecen una
señal de salida eléctrica. Ello se debe a las numerosas ventajas que
proporcionan los métodos electrónicos para el control y medición de procesos. Las
siguientes son algunas de ellas: Debido a la naturaleza eléctrica de la
materia, cualquier variación de un parámetro no eléctrico (temperatura humedad,
presión, etc.) viene siempre acompañada por la variación de un parámetro
eléctrico (resistencia, capacitancia, inductancia, etc.). Esto permite realizar
sensores eléctricos prácticamente para cualquier variable, eléctrica o no eléctrica. Lo importante es seleccionar el
material adecuado. Se pueden implementar sensores no intrusivos, es
decir que no extraen energía del sistema
bajo medición. Esta operación se realiza mediante el uso de técnicas de
amplificación. También se dispone de una gran variedad de recursos para
acondicionar o modificar las señales a necesidades particulares, así como para
presentar o registrar la información suministrada. Muchos de estos recursos (filtros,
circuitos de liberalización, convertidores A/D, pantallas, etc.), vienen incluso incorporados de fábrica en los sensores mismos,
lo cual facilita su uso. La transmisión de señales eléctricas es más
versátil, limpia y segura que la de otros tipos de señales (mecánicas,
hidráulicas. neumáticas). No obstante, estas últimas pueden ser más
convenientes en algunas situaciones específicas, por ejemplo atmósferas explosivas o altamente ionizadas.
Estructura
y principio de funcionamiento
Todos
los sensores utilizan uno o más principios físicos o químicos para convertir una variable de entrada al tipo de variable de
salida más adecuado para el control omonitoreo de cada proceso
particular. Estos principios o fenómenos se manifiestan en forma útil en
ciertos materiales o medios y pueden estar relacionados con las propiedades del material en sí o su disposición
geométrica.En el caso de sensores cuya salida es una señal eléctrica, la
obtención de esta última implica
generalmente el uso de un transductor primario y opcionalmente, uno o mas transductores secundarios.La
función del transductor primario es convertir la magnitud física a medir en
otra mas fácil de manipular Esta última no
tiene que ser necesariamente de naturaleza eléctrica.Por Ejemplo, Un bimetal
que es un dispositivo formado por dos metales de distintos coeficientes
de dilatación, es un tipo de transductor primario porque convierte una variación
de temperatura en un desplazamiento físico equivalente. Este último puede ser
utilizado para mover una aguja o accionar un interruptor. Otros ejemplos son
los tubos de Bourdon (presión), los tubos de Pitot (velocidad de flujo), los rotámetros
(caudal), los flotadores (nivel), las termocuplas (temperatura), etc. El
transductor o transductores secundarios, cuando son requeridos, actúan sobre la salida del transductor primario para producir
una señal eléctrica equivalente. Una vez obtenida esta última es sometida
a un proceso de acondicionamiento y amplificación para ajustarla a las necesidades de la carga exterior o de la
circuitería de control.
En
este caso, la presión asociada con el fluido se traduce inicialmente en un desplazamiento o deflexión proporcional utilizando
como transductor primario un diafragma u otro elemento elástico especialmente
diseñado para esta función. A continuación, esta deflexión es convertida
en una señal eléctrica equivalente utilizando como transductor secundario una galga extensiométrica semiconductora u otro tipo de
elemento especialmente diseñado para convertir movimiento
en electricidad.Por último, la señal eléctrica producida se acondiciona,
modifica o procesa mediantecircuitos electrónicos adecuados con el fin de obtener
la respuesta y las características finales
deseadas (en este caso un voltaje entre O y 5V proporcional a valores depresión
absoluta entre O y 6000 psi con una exactitud de + 0,5%).
Tipos
de sensores
Muchos
transductores utilizados en los procesos industriales para convertir
variables físicas en señales eléctricas o de otro tipo, necesitan de una o más
fuentes auxiliares de energía para realizar su acción básica.
Los
sensores basados en este tipo de transductores se denominan activos o
moduladores y se emplean principalmente para
medir señales débiles. La contraparte de los sensores activos son los
sensores pasivos o generadores, los cuales
pueden realizar su acción básica de transducción sin la intervención de una fuente
de energía auxiliar. Un ejemplo lo constituyen las termocuplas o
termopares, las cuales producen
directamente un voltaje de salida proporcional a la temperatura aplicada.
Además de la
distinción entre pasivos y activos, los sensores electrónicos pueden
ser también clasificados de acuerdo al tipo de señal de salida que
entregan. el tipo de variable o variables
físicas que detectan, el método de detección, el modo de funcionamiento,
la relación entre la entrada y la salida (función de transferencia) y otros
criterios, figura 3. Dentro de cada una de estas clasificaciones existen
sus propias subcategorías.
Dependiendo del tipo de señal de salida, por
ejemplo, un sensor puede ser analógico o
digital. Los
sensores analógicos entregan como salida un voltaje o una corriente continuamente variable dentro del campo de medida
especificado. Los rangos de voltaje de salida son muy variados, siendo
los más usuales +10V, +1V, ±10V, +-5V y±1V.Los rangos de corriente de salida
están más estandarizados, siendo actualmente elmás común el de 4 a 20 mA, donde 4 mA corresponde a cero en la variable
medida y20 mA a plena escala. También existen sensores con rangos de salida de
0 a 20mA y de 10 a 50mA. La salida por Ioop
de
corriente es particularmente adecuada para ambientes industriales por las
siguientes razones:
•Permite
ubicar sensores en sitios remotos y peligrosos.
•Permite reducir a dos el número de alambres por
sensor
•Permite
aislar eléctricamente los sensores de los instrumentos de medición.
•Proporciona mayor confiabilidad puesto que es
relativamente inmune a la captación de ruido y la señal no se degrada
cuando se transmite sobre largas distancias. Los
sensores digitales entregan como salida un voltaje o una corriente variable en forma
de saltos o pasos discretos de manera codificada, es decir con su
valor representado en algún formato de pulsos o palabras, digamos PWM
(Modulación deAncho de Pulso) o binario.Adicionalmente
muchos sensores digitales poseen interfaces estándares comoRS232C, RS-422A,
RS-4X5, 1-Wire, HART, etc., lo cual les permite comunicarse directamente con
sistemas de control basados en computadoras sobre diferentes trayectos físicos y
a muy distintos rangos de bits. Estos protocolos se examinan en detalle en la sección de Automatización.La
interface o protocolo HART (Highwoy Adclre.ssable Remote Transdticer), por ejemplo, basada en el
estándar de corriente análogo de 4 a 20 mA combinado con técnicas de
procesamiento digitales, provee comunicaciones punto a punto sobre cables hasta
de 3,048 metros y a velocidades hasta de 1.2 kbps (kilobits por segundo).La comunicación multidrop implica que varios sensores pueden compartir una
misma línea de datos. Un
caso particular de sensores digitales son los detectores todo o nadalos
cuales, como su nombre lo sugiere, tienen una salida digital codificada de
sólo dos estados y
únicamente indican cuándo la variable detectada rebasa un cierto
valor umbral o límite. Un ejemplo de
sensores todo o nada son los detectores de proximidad inductivos y capacitivos
examinados en el. Otra variante de los sensores digitales son los sensores casi digitales, los cuales entregan una salida análoga en
forma de frecuencia que es relativamente
fácil de convertir a una señal digital propiamente dicha.Dependiendo de la
naturaleza de la magnitud o variable a detectar, existen sensores de temperatura,
presión, caudal, humedad, posición, velocidad,
aceleración, vibración,fuerza, torque, flujo, corriente, gases, pH, proximidad,
contacto, imagen, etc. Estos sensores se
basan en la aplicación práctica de fenómenos físicos o químicos conocidos y en
la utilización de materiales especiales donde dichos fenómenos se manifiestan
de forma útil.