2.1 Sensores y Transductores

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.