Transductores Eléctricos

Transductores De Entrada − Dispositivos De Medición
Los dispositivos que convierten el valor de una variable controlada en una señal eléctrica son llamados
Transductores eléctricos. Se han inventado transductores eléctricos para medir prácticamente posición,
velocidad, aceleración, fuerza, potencia, presión, razón de flujo, temperatura, intensidad de la luz y humedad.
Potenciómetros
El potenciómetro es el transductor eléctrico más común. Pueden ser usados solos, o pueden conectarse a un
sensor mecánico para convertir un movimiento mecánico en una variación eléctrica. Un potenciómetro
consiste en un elemento resistivo y un contacto móvil que puede posicionarse en cualquier lugar a lo largo del
elemento. Este contacto móvil es llamado derivación, cursor y deslizador.
La construcción física de la mayoría de los potenciómetros es circular y abarca un ángulo de unos 300°, La
posición del cursor se ajusta entonces girando el eje al que está sujeto el cursor. El eje puede girarse a mano o
por medio de un destornillador, dependiendo de si tiene en su extremo una perilla o ranura para destornillador.
La representación esquemática más común es la presentada en la figura 1 b. Es más usual simplemente porque
es más sencilla de dibujar.
Linealidad De Los Potenciómetros
La gran mayoría de los potenciómetros son lineales. Significa que un movimiento dado del cursor produce un
cambio dado en la resistencia, sin importar la posición del cursor en la extensión del elemento. La resistencia
del elemento está atribuida de manera igual por la longitud del elemento. El grado preciso de linealidad de un
potenciómetro es muy importante en algunas aplicaciones.
Es imposible fabricar potenciómetros de una linealidad perfecta.
Al especificar un fabricante una linealidad de 10% para un potenciómetro, se garantiza que la resistencia se
desviará de la resistencia de línea recta en no más del 10% de la resistencia total. Un potenciómetro de 500
con una linealidad de 10% tendrá una gráfica de resistencia contra ángulo del eje en la que la resistencia real
se desvía de la línea recta ideal en no más 50 .
Los potenciómetros usados como transductores tienen linealidades de menos del 1% y a veces tan bajas como
0.1%.
Resolución de los Potenciómetros
Muchos potenciómetros son de la variedad bobinada. En un potenciómetro bobinado, una pieza de alambre
delgado está enrollada muchas veces alrededor de un núcleo aislante. El cursor entonces se mueve de una
vuelta de alambre a la siguiente. A medida que se ajusta el potenciómetro.
El punto importante es que hay un límite de cambio mínimo de resistencia posible. El cambio mínimo en
resistencia posible es igual a la resistencia de una vuelta de alambre. Este cambio mínimo posible de la
resistencia determina la resolución del potenciómetro.
La resolución de un potenciómetro como la variación de resistencia mínima posible, expresada como un
porcentaje total.
1
Los potenciómetros que tienen una buena resolución inherente tienen una mala linealidad, y viceversa.
Se instala un potenciómetro en un circuito con un voltaje aplicado entre sus terminales finales. La rotación del
eje causa entonces una variación de voltaje entre las terminales, en lugar de solamente una variación de
resistencia entre las terminales. Si la posición del eje representa el valor de una variable medida, el
potenciómetro establece una correspondencia entre la variable medida y Vsalida.
Otra conexión común de los potenciómetros se muestra en la figura 2 b. Los resistores R1 y R2 son iguales, y
el aparato de medición está dispuesto para que el cursor del potenciómetro esté centrado exactamente para un
valor neutro o de referencia de la variable medida. Este es un circuito en puente.
Otro arreglo común de un potenciómetro en un circuito puente es el mostrado en la figura 3 c. Recuerde que el
concepto básico de los circuitos puente es que el puente estará balanceado cuando la razón de resistencias a la
izquierda sea igual a la razón de resistencias a la derecha. En otras palabras, Vsalida = O si
R1 / R2 = R3 / R4
Un puente de este tipo puede usarse en cualquiera de estas dos manera:
• La variable medida puede usarse para posicionar el eje del potenciómetro, y en tal caso el voltaje de salida
(Vsalida) del puente representa el valor de la variable medida.
• La variable medida puede usarse para hacer que unos de los resistores, digamos R4, varíe. R4 puede ser un
potenciómetro, o puede ser un resistor que varíe en respuesta a un estímulo. Como temperatura. R3
entonces se ajusta de manera manual o automática hasta que Vsalida sea igual a cero, significando que el
puente está balanceado. La posición del eje del potenciómetro R3 representa entonces el valor de la
variable. Ele eje puede conectarse a algún dispositivo indicador para leer el valor de la variable.
Transformadores Diferenciales De Variación Lineal
Un transformador diferencial de variación lineal da una señal de voltaje de ca que es proporcional a un
desplazamiento físico. En la figura 3 se muestran la construcción, el símbolo esquemático y las formas de
onda de salida de LVDT (linear variable differential transformer).
Un LVDT tiene un devanado primario y dos devanados secundarios, todos enrollados de la misma manera. Su
forma misma es hueca y contiene un núcleo magnético que puede deslizarse libremente dentro de la forma.
Mientras un núcleo magnético esté perfectamente centrado en la forma, el enlace del campo magnético será el
mismo para el devanado secundario 1 que para el devanado secundario 2. Por tanto, ambos voltajes de los
devanados secundarios serán iguales. Si el núcleo se mueve a la izquierda en la figura 4 a, el enlace magnético
será mayor para el devanado secundario 1 porque una mayor parte del núcleo está dentro de ese devanado que
en el devanado secundario 2. Por tanto, el voltaje del devanado 1 será mayor que el voltaje del devanado 2. Si
el núcleo se mueve a la derecha, el voltaje del devanado 2 será mayor que el voltaje del devanado 1, porque el
devanado 2 tendrá más del núcleo dentro de él. El LVDT es construido para que la diferencia entre los dos
voltajes de los devanados secundarios sea proporcional al desplazamiento del núcleo.
Cuando el LVDT es usado como un dispositivo de medición, los devanados secundarios están conectados en
serie con las marcas de polaridad en oposición. Por tanto, si el núcleo está centrado y el voltaje del devanado 1
es igual al voltaje del devanado 2, la salida neta de voltaje (Vsalida) es cero. Si el núcleo se mueve hacia
arriba, el voltaje del devanado 1 es mayor que el voltaje del devanado 2, por lo que Vsalida se hace distinto a
cero. Entre más se mueve el núcleo, más grande será Vsalida. También, Vsalida esta en fase con Ventrada,
debido a la manera en que se define la fase del voltaje de salida de la figura 3b.
Si el núcleo se mueve hacia debajo de su posición central en la figura 3 b, el voltaje del devanado 2 se vuelve
2
mayor que el voltaje del devanado 1, y Vsalida nuevamente es distinto a cero. Esta vez, Vsalida esta
desfasado 180° de Ventrada, como se muestra en la figura 4 e. Por tanto, el tamaño de Vsalida representa la
cantidad del desplazamiento del centro, y la fase de Vsalida representa la dirección del desplazamiento.
La mayoría de los LVDT tienen un rango de desplazamiento de más o menos 1 pulgada. Si el LVDT fuera
usado para medir desplazamientos mecánicos mucho mayores a 1 pulgada, se requerirá usar un aparato
mecánico de relación apropiada (tren de engranes reductor).
La mayoría de los LVDT están diseñados para operar con un voltaje de entrada de menos de 10 V de ca. Los
voltajes de salida de escala completa caen en el mismo rango general.
Transductores de Presión
Dos clases comunes de dispositivos de detección de presión, los tubos de Bourdon y los fuelles. Estos
dispositivos detectan la presión medida y la convierten en un movimiento mecánico. El movimiento mecánico
entonces es traducido en una señal eléctrica mediante un potenciómetro o un LVDT.
Tubos De Bourdon
Un tubo de Bourdon es un tubo metálico deformado con una sección transversal ovalada. Está abierto en un
extremo y sellado en el otro. Todo el tubo elástico, debido a la elasticidad del metal usado en su construcción.
El fluido cuya presión se está midiendo es admitido en el interior del tubo por el extremo abierto, que está
anclado mecánicamente. El tubo entonces se deflexiona en una cantidad proporcional a la magnitud de la
presión. Esta deflexión es transmitida mecánicamente al cursor de un potenciómetro o al núcleo de un LVDT,
para proporcionar una señal eléctrica. En la figura 4 a hasta la d se muestran las diferentes formas de los tubos
de Bourdon y los movimientos que producen.
Los tubos de Bourdon se usan con mayor frecuencia para la medición de presiones del orden de 10 a 300 psi.
Fuelles
Un fuelle es una serie de diafragmas metálicos conectados entre sí. Cuando está sujeto a la presión del fluido,
un diafragma metálico se distorsionará ligeramente debido a la elasticidad dl material usado en su
construcción. Al soldar en serie varios diafragmas, el movimiento total del diafragma final puede ser
considerable.
En la figura 5 b y c se muestran dos disposiciones comunes de fuelles. En la figura 5 b, la presión es aplicada
a la parte del fuelle a expandir el fuelle contra la tracción del resorte de tensión. A medida que se expande el
fuelle, actúa como un acoplamiento mecánico se mueve el cursor de un potenciómetro para producir para
producir una señal eléctrica de salida.
Los transductores de presión de tipo fuelle tienen su utilidad principal en la medición de presiones de 0.5 a 20
psi.
Termopares
El dispositivo más común para la medición de temperaturas de procesos industriales es el termopar. Un
termopar es un par de alambres de metales diferentes unidos en una malla completa, como se muestra en la
figura 6 a. Los alambres distintos tienen dos puntos de unión, uno en cada extremo de la malla. Una unión,
llamada unión caliente, es sujeta a una alta temperatura, La otra unión, llamada fría, es sujeta a baja
temperatura. Al hacer esto, se crea un pequeño voltaje neto en la malla. Este voltaje es proporcional a la
diferencia entre las dos temperaturas de las uniones.
3
Lo que ocurre en una malla de termopar es que se produce un pequeño voltaje en cada unión de los metales
distintos, debido a un confuso fenómeno llamado efecto Seebeck. Entre mayor sea la temperatura de la unión,
mayor será el voltaje producido por esta unión. La relación entre el voltaje y la temperatura es
aproximadamente lineal. Un incremento dado en la temperatura produce un incremento en el voltaje. La
constante de proporcionalidad entre el voltaje y la temperatura depende de los dos metales en uso.
Un asunto adicional es importante en el uso de termopares en la industria. Tiene que ver con la variación de la
temperatura ambiente en las uniones frías. Esta es la situación: si supiéramos de antemano la temperatura de
las uniones frías, entonces en lugar de relacionar la lectura del voltímetro con la diferencia de la temperatura,
se podría relacionarla con la temperatura de la unión caliente misma. Esto sería posible pues podríamos
construir las tablas de temperatura contra voltaje para que reflejaran el hecho de que las uniones frías están a
una cierta temperatura de referencia conocida.
Termistores Y Detectores resistivos De Temperatura
Es posible usar el cambio de resistencia que ocurre en muchos materiales a medida que cambia su
temperatura. Los materiales usados para este propósito caen en dos categorías, los metales puros y los óxidos
metálicos.
Los metales puros tienen un coeficiente de resistencia de temperatura positivo bastante constante, El
coeficiente de resistencia de temperatura, generalmente llamado coeficiente de temperatura es la razón de
cambio de resistencia al cambio de temperatura. Un coeficiente positivo significa que la resistencia aumenta a
medida que aumenta la temperatura. Si el coeficiente es constante, significa que el factor de proporcionalidad
entre la resistencia y la temperatura es constante y que la resistencia y la temperatura se gratificarán en una
línea recta.
El factor de resistencia, es el factor por el cual la resistencia real es mayor que la resistencia de referencia a O°
F.
Cuando se usan óxidos metálicos para la medición de la temperatura, el material de óxido metálico es
conformado en formas que semejan pequeños bulbos o pequeños capacitores, El dispositivo formado así se
llama termistor. Los termistores tienen coeficientes de temperatura negativos grandes que no son constantes.
El cambio de resistencia por unidad de cambio de temperatura es mucho mayor que para un metal puro, pero
el cambio es la otra dirección: la resistencia disminuye a medida que aumenta la temperatura. El hecho de que
el coeficiente no sea constante significa que el cambio en la resistencia por unidad de cambio de temperatura
es diferente a diferentes temperaturas.
La no linealidad natural de los termistores puede corregirse parcialmente conectando varios termistores
apareados en una combinación serie−paralelo. El circuito resultante se llama red compuesta de termistores.
Estas redes son bastante lineales a través de un rango bastante amplio de temperaturas, pero necesariamente
son más caros que los termistores sencillos.
Los termistores sencillos son preferibles cuando la banda de temperatura esperada es angosta, mientras que los
RTD son preferibles cuando la banda de temperatura es amplia. La mayoría de los termistores son fabricados
para uso entre − 150° y + 800° F, aunque se han desarrollado termistores especiales para temperaturas
extremadamente bajas, cercanas al cero absoluto. Hay termómetros con RTD disponibles para temperaturas de
− 400° F a + 2000° F.
Otros Transductores De Temperatura:
Detección De Temperatura Mediante Dispositivos De Estado Sólido
4
Un diodo de silicio ordinario es sensible a la temperatura. Para una corriente constante, su voltaje en directa
de ánodo a cátodo varía de manera inversa a la temperatura.
Esta dependencia puede usarse para medir el cambio de temperatura de un medio conteniendo el diodo, o de
un dispositivo que está en contacto térmico con el diodo. En la figura 7 b se muestra el enfoque del circuito
general.
También pueden usarse otros dispositivos de estado sólido como elementos sensores de temperatura. La
desventaja universal de este método es la inevitable inestabilidad de lote de cualquier dispositivo de estado
sólido. La medición de temperatura mediante dispositivos de estado sólido es más aplicable a la detección de
límites de temperatura que a la medición exacta.
Pirómetros Opticos
A temperaturas mayores de unos 2200° C (4000°F), los sensores de temperatura de contacto tienen una
expectativa de vida tan corta que son imprácticos para uso industrial. En este rango tan alto es necesario medir
la temperatura a distancia, midiendo la radiación electromagnética visible y/o invisible emitida por el cuerpo
caliente.
La radiación electromagnética visible (luz) emitida por un cuerpo caliente se concentra en una frecuencia que
es una indicación de la temperatura del cuerpo. Si se filtran ópticamente los componentes de frecuencia
débiles de la luz radiada, un cuerpo caliente tomará un color que indica su temperatura. Puede usarse este
comportamiento para determinar la temperatura de un cuerpo caliente ajustando la temperatura de una fuente
de referencia de luz hasta que su color iguale el color del cuerpo caliente. Este es el principio de operación de
un pirómetro óptico.
El conjunto del pirómetro se sostiene o se monta de manera que apunte al cuerpo cuya temperatura se está
midiendo. La radiación emitida por el cuerpo es filtrada y luego enfocada a través de una ranura dentro de la
estructura del instrumento, donde puede ser vista por el operador. Ubicada a un lado de la ranura del cuerpo
caliente está una segunda ranura que despliegue la radiación filtrada emitida por un filamento interno.
Fotoceldas Y Dispositivos Fotoeléctricos
Las fotoceldas son pequeños dispositivos que producen una variación en respuesta a un cambio en la
intensidad de la luz. Las fotoceldas pueden clasificarse como fotovoltaicas o fotoconductivas.
Una celda fotovoltaica es una fuente de energía cuyo voltaje de salida varía en relación con la intensidad de la
luz en su superficie. Una celda fotoconductiva es un dispositivo pasivo, incapaz de producir energía. Su
resistencia varía en relación con la intensidad de la luz en su superficie.
Las aplicaciones de las fotoceldas caen en dos categorías generales:
• Detección de la presencia de un objeto opaco:
• La detección puede hacerse en una base de todo o nada, en la que el circuito de la fotocelda tiene sólo
dos estados de salida que representan la presencia o la ausencia de un objeto. Este es el tipo de
detección usada para contar las partes que viajan por una banda transportadora, o para evitar la
operación de un mecanismo si las manos del operador no están fuera de la zona de trabajo.
• La detección puede hacerse en una base continua, teniendo el circuito de la fotocelda una salida
continuamente variable que representa la posición variable del objeto. Ese es el tipo de detección
usada para observar la orilla de una tira de material en movimiento para evitar que se desvíe
5
demasiado adecuada.
La ventaja principal de las fotoceldas sobre otros dispositivos de detección es que no se requiere ningún
contacto físico con el objeto en detección.
Las características de corriente de salida de una celda fotovoltaica operandi en una carga no se puede
suministrar mucha corriente, las fotoceldas pueden agruparse en paralelo, para aumentar su capacidad de
corriente.
Con frecuencia surge el problema de que la señal de luz no puede distinguirse de la luz ambiental. Entonces,
el sistema fotoeléctrico puede no ser confiable porque la celda fotovoltaica puede suministrar una salida
debido únicamente a la luz ambiental. El sistema entonces indicará que no hay un objeto presente bloqueando
la trayectoria cuando de hecho si hay un objeto presente.
Celdas fotoconductivas
Las celdas fotoconductivas cambian de resistencia como respuesta a los cambios en la intensidad de la luz. A
medida que aumenta la iluminación, la resistencia disminuye. Los símbolos esquemáticos usados con
frecuencia para las celdas fotoconductivas se muestran en la figura 8 a.
La virtud principal de las celdas fotoconductivas modernas es su sensibilidad, la resistencia de las celdas
puede cambiar más de 1 millón de a menos de 1000 a medida que cambia la intensidad de la luz de
obscuridad a la brillantez promedio de un cuarto.
Las celdas fotoconductivas pueden usarse para muchos de los mimos propósitos que las celdas fotovoltaicas,
excepto, por supuesto, que no puedan actuar como fuentes de energía. Las celdas fotoconductivas son
preferidas sobre las celdas fotovoltaicas cuando se requiere una respuesta cuando se requiere una respuesta
muy sensible a las condiciones cambiantes de luz.
Cuando se requiere de una respuesta rápida, las celdas fotovoltaicas son preferibles a las celdas
fotoconductivas. Si una fotocelda debe conmutarse rápidamente entre el encendido y el apagado, se prefieren
las celdas fotovoltaicas porque pueden conmutarse a mayores frecuencias que las celdas fotoconductivas.
Como regla general, las celdas fotoconductivas no pueden conmutarse satisfactoriamente a frecuencias
mayores de 1 KHZ, y a veces más.
Cortadores periódicos fotorresistivos.
Una aplicación interesante de las celdas fotoconductivas en le cortado periódico de una señal de voltaje de cd
para su inserción en un amplificador de ca.
La celda fotoconductiva es una buena alternativa al método de interruptor mecánico vibrador usado en ese
amplificador.
Acoplamiento Y Aislamiento Optico: Fototransistores, Diodos Emisores De Luz.
Un aislador óptico es básicamente una interfaz entre dos circuitos que operan a diferentes niveles de voltaje.
El uso industrial más común del aislador óptico es como convertidor de señal entre dispositivos piloto de alto
voltaje y circuitos lógicos de estado sólido de bajo voltaje. Los aisladores ópticos pueden usarse en cualquier
situación en la que debe pararse una señal entre dos circuitos que están aislados eléctricamente entre ellos.
El método de acoplamiento óptico elimina la necesidad de contactos controlados por solenoides o
transformadores de aislamiento, que son los métodos tradicionales para proporcionar aislamiento eléctrico
6
entre circuitos.
Aislador/acoplador óptico de foco incandescente y celda fotoconductiva.
El aislador óptico tiene un foco incandescente conectado con un
Resistor de protección. Esta combinación en serie está conectada a través de un dispositivo piloto a una señal
de 115 V. Si el dispositivo piloto está abierto, no habrá aplicación de potencia al foco incandescente, por lo
que se extinguirá. La celda fotoconductiva, aislada de la luz exterior, se irá a una resistencia muy alta,
permitiendo la elevación de la señal de la base del transistor.
El método de acoplamiento óptico es superior en muchas aplicaciones, pues elimina algunas de las
características menos deseables de los relevadores y aisladores, principalmente:
• Son bastante caros
• Son más voluminosos y pesados que los dispositivos ópticos.
• Crean campos magnéticos y señales transistorias de conmutación que puedan ser la fuente de ruidos
problemáticos.
• Los contactos de los relevadores pueden provocar chispas, que son muy indeseables en ciertas
situaciones industriales.
El acoplador lógico funciona bien tanto con señales de alto voltaje de ca como de ce. A los convertidores de
señal que usan acoplamiento óptico se les llaman a veces convertidores universales de señal.
Aislador/acoplador óptico de LED y fototransistor.
Un LED es un diodo semiconductor que emite luz cuando lleva corriente con la polarización en directa. El
voltaje de ruptura de un LED es mayor 0.6 V, ya que los LED no están hechos de silicio como los diodos
rectificadores. Generalmente tienen voltajes de ruptura en directa del rango de 1.0 a 2.2 V. También, los LED
tienen voltajes de ruptura en inversa que son mucho más bajos que los de los diodos rectificadores de silicio.
Los LED infrarrojos son más eficientes que los LED visibles, pues convierten más energía eléctrica en luz y
menos en calor.
Un fototransistor es un transistor semiconductor que responde a la intensidad de la luz en su lente, en lugar a
su corriente de base. Los fototransistores pueden responder tanto a la luz incidente como a su corriente base.
La combinación LED fototransistor tiene algunas ventajas importantes sobre la combinación foco−celda
fotoconductiva:
• Un LED tiene una vida extremadamente grande en comparación con un foco de cualquier tipo. Un LED
emitirá una luz por siempre si se opera a la corriente correcta; un foco incandescente será bueno si dura
10,000 horas.
• Un LED puede soportar las vibraciones y golpes mecánicos del ambiente industrial mucho mejor que un
poco de filamento, proporcionando mayor confiabilidad.
• El LED y el fototransistor tienen una respuesta más rápida que un foco y una celda fotoconductiva. Esto
puede ser una ventaja para ciertas aplicaciones de conmutación de alta frecuencia.
Una fuente de luz LED es combinada con un fototransistor detector de luz, dado el mejor apareamiento entre
7
sus velocidades de operación y entre sus longitudes de onda de emisión y detección de luz.
Fibras Opticas
Las fibras ópticas son hilos muy delgados de vidrio o plástico que llevan luz de la localidad de envío a la
localidad de recepción. La estructura cristalina de una fibra óptica permite a la luz de entrada seguir la
trayectoria de la fibra con apenas una ligera atenuación, aun cuando la fibra dé vueltas. Una fibra óptica
recubierta puede usarse como un alambre, pero sin la susceptibilidad del alambre a la interferencia eléctrica y
magnética. La fibra es inmune a la captación de ruidos porque la señal que lleva no es eléctrica en su
naturaleza, es luz.
El tendido básico de un sistema de transmisión mediante fibra óptica se esquematiza en la figura 8 a. Como
indica esa figura, debe usarse un dispositivo de alineación tanto en el extremo emisor como en el receptor.
Una fibra óptica es capaz de guiar luz en virtud de las composiciones químicamente puras en extremo de su
núcleo y su revestimiento. Estos componentes son identificados en la figura 9 a, que ilustra la estructura de
una fibra óptica. El diámetro del núcleo puede ser muy pequeño, de 3µm (aproximadamente una diezmilésima
de pulgada) o hasta de varios cientos de micrómetros, dependiendo del tipo de fibra.
Las fibras con núcleos grandes tienden a tener revestimientos delgados y viceversa.
Las composiciones del núcleo y el revestimiento son seleccionadas de manera que el núcleo sea más denso
que el revestimiento. Si hay paso de luz a través de una substancia más densa y ésta incide en la frontera con
una substancia menos densa, se reflejará en ella casi por completo. Casi nada de la luz entrará en la substancia
de menor densidad. Por tanto, en una fibra óptica, al incidir luz en la frontera entre el núcleo y revestimiento a
un ángulo bastante pequeño, se refleja de la frontera en lugar de entrar en el revestimiento. La luz reflejada
viaja a través del núcleo para incidir en la frontera del otro lado, donde se refleja de nuevo. Si un rayo de luz
no es paralelo al eje de la fibra, tiende a seguir una trayectoria en zigzag a través de la longitud del núcleo,
como se muestra en la figura 9 b
Un fotodiodo es un diodo de silicio con una abertura en su empaque que contiene una lente que enfoca la luz
incidente en su unión p−n. Al polarizar en inversa el circuito del diodo, su corriente de fuga depende de la
intensidad de la luz en su unión. La corriente de fuga del fotodiodo entonces es detectada y amplificada para
proporcionar una salida útil.
Los fotodiodos son capaces de recibir datos ópticos digitales a baudajes mayores a los 50 megabits por
segundo. La recepción de señales está restringida a frecuencias algo menores.
Ultrasónica
Algunas de las tareas de medición y detección industrial manejadas fotoeléctricamente por lo menos también
pueden ser manejadas ultrasónicamente.
Un sistema ultrasónico transmite una onda de onda de alta frecuencia (ultrasónica) a través del aire por medio
de la unidad de transmisión. Si la trayectoria monitoreada está libre, la emisión ultrasónica de la unidad de
transmisión es detectada por la unidad receptora, que convierte la onda en una señal eléctrica amplifica la
señal y energía un relevador. Si la trayectoria está bloqueada, la unidad receptora desenergiza un relevador.
Una unidad de transmisión ultrasónica es estructuralmente sencilla. Consiste en un cristal de material
piezoeléctrico emparedado entre dos placas metálicas. Un lado del emparedado está anclado mecánicamente,
y el otro lado está conectado a un diafragma vibratorio. Se aplica un voltaje de ca de 20 KHZ a 100 KHZ alas
placas metálicas. La estructura atómica del cristal piezoeléctrico es tal que una polaridad de voltaje aplicado
8
causa su expansión y la otra polaridad causa su contracción. Esto se llama efecto piezoeléctrico. Las
expansiones y contracciones de alta frecuencia son impartidas al diafragma conectado, que vibra contra el aire
en su vecindad, estableciendo la onda ultrasónica.
Un tipo diferente de transductor ultrasónico opera por el efecto de magnetorrestrictivo exhibido por ciertos
materiales. Este efecto comprende la expansión y contracción mecánica asociada con un campo magnético
alternante.
La propagación del sonido es más lenta que la propagación de la luz. Los sistemas ultrasónicos son usados
ampliamente en la industria para monitorear y/o medir grosor y densidad. Mediante el mismo principio, las
ondas ultrasónicas pueden usarse para detectar huecos e imperfecciones en piezas fundidas, variaciones
abruptas en la composición de aleaciones, y en otras aplicaciones semejantes.
Galgas
Las galgas se usan en la industria para medir con precisión fuerzas grandes, especialmente grandes pesos.
También hay galgas diseñadas para medir fuerzas pequeñas, pero no son tan comunes. Una galga básicamente
es un alambre de resistencia cementado de manera firme en la superficie de un objeto resistente que entonces
recibe una fuerza. El objeto se estira o se comprime ligeramente, dependiendo de si siente una fuerza de
tensión o comprensión. El alambre de resistencia, que está adherido a la superficie del objeto, también se
distorsiona con el valor de la fuerza.
Lo que mide en realidad una galga es la tensión, que es el cambio en la longitud del objeto resistente como un
porcentaje de su longitud original. La tensión del objeto resistente representa la fuerza aplicada al objeto
mediante la ley de Hooke, que dice que:
F/A = YE = Y AL/LO
Donde F significa la fuerza aplicada al objeto (en dirección de la distorsión); A es el área de sección
transversal del objeto; Y es el modulo de Young, que depende del material en particular del que está
construido el objeto; y E es la tensión, el cambio en longitud por unidad de longitud original (E = AL/LO). El
punto importante es que el cambio en la longitud del objeto depende de la fuerza aplicada al objeto y puede
relacionarse con la fuerza en una base uno a uno.
La resistencia del alambre que abarca la galga depende de la longitud y la sección transversal del alambre,
como se muestra por
R = PL/A
R significa la resistencia del alambre en ohms; p es la resistividad del material del alambre, una propiedad
particular del material usado; L es la longitud del alambre; y A es el área de la sección transversal del
alambre. Puede verse que cuando el alambre es estirado ligeramente, la resistencia R se incrementará debido a
que la longitud aumentará y el área a disminuirá. Por otra parte, si el alambre es comprimido ligeramente, R
disminuirá porque la longitud L disminuirá y el área de sección transversal aumentará.
La mayoría de las galgas industriales tienen un factor de calibre de aproximadamente 2. Esto significa que si
la longitud del objeto cambia 1% (E = 0.01), la resistencia de la galga cambia 2%.
Una galga conectada a un circuito puente se muestra en la figura 10 c. El puente generalmente está diseñado
para estar balanceado cuando la fuerza ejercida sobre el objeto resistente es igual a cero. Un potenciómetro.
Un potenciómetro de ajuste puede agregarse a una de las ramas del puente para ajustar el balance exacto a una
fuerza cero. A medida que se aplica fuerza, el puente se desbalancea, y el voltaje a través del puente puede
9
relacionarse con la cantidad de fuerza. Una fuerza mayor crea un mayor cambio en la resistencia de la galga y
una salida de voltaje mayor del puente.
Acelerómetros
Un acelerómetro es un dispositivo que mide la aceleración. La mayoría de los acelerometros trabaja de una
manera indirecta. Ponen una cantidad conocida de masa, llamada masa sísmica, en unión mecánica con el
objeto medido, por lo que cualquier aceleración sufrida por el objeto medido también debe ser sufrida por la
masa sísmica. El valor de la fuerza medida está relacionado con el calor de la aceleración por medio de la
segunda ley de Newton.
A = F Medida por un transductor de fuerza
MS Medida fija conocida de masa
El transductor de fuerza puede ser calibrado para dar una lectura en unidades de aceleración.
En la figura 11 se muestra el diagrama de un acelerómetro basado en una galga. El armazón del acelerómetro
debe sujetarse firmemente al objeto medido. La masa asísmica se sujeta al armazón del acelerómetro por
medio de una unión elástica de baja deflexión, que puede pensarse como un resorte muy duro. La masa
sísmica es restringida pro guías en las direcciones arriba/abajo y adentro/afuera, pero las guías permiten un
movimiento libre izquierda/derecha.
Cuando el objeto de medición se acelera a la derecha, el armazón transmite una fuerza a través de la unión
elástica a la masa sísmica, causándole una aceleración igual. La fuerza de reacción estira la unión elástica, lo
que permite que la masa se desplace muy ligeramente a la izquierda. La tensión en la unión elástica es
manifestada como un cambio de resistencia en la galga, el cual puede relacionarse con la fuerza de la manera
normal de las galgas, y luego con la aceleración mediante la segunda ley de Newton, como se explicó
anteriormente.
Los acelerómetros tienen aplicación en los sistemas de seguimiento refinados, para suministrar una señal de
realimentación adicional al comparador. A medida que el sistema de seguimiento se mueve de su posición de
reposo o se desacelera para deternerse, el comparador toma en cuenta la medición de la aceleración en la
determinación de la señal de error aumentada, resultando una respuesta del sistema más rápida y estable. Los
sistemas avanzados de operación de motores hacen un uso similar de los acelerómetros.
Los acelerómetros también se aplican con frecuencia en el área de detección y análisis de vibraciones. Las
máquinas rotatorias y las máquinas sujetas a impactos están sometidas a vibraciones mecánicas de resonancia
que pueden ser dañinas. Tales vibraciones pueden detectarse y medirse por medio de un acelerómetro de alta
frecuencia, ya que la vibración mecánica es equivalente a una aceleración inversa cíclicamente rápida. Un
acelerómetro diseñado específicamente para el análisis de vibraciones es generalmente conocido como
vibrómetro.
Tacómetros
Un tacómetro es un dispositivo que mide la velocidad angular de un eje giratorio. Las unidades más comunes
para expresar la velocidad angular son rotaciones por minuto (r/min.) y radiantes por segundo. Un radian es
igual a 1 (2) revoluciones, o aproximadamente 57 grados mecánicos. Usaremos exclusivamente las unidades
r/min.
Los tacómetros en la industria usan dos métodos básicos de medición:
10
• La velocidad angular es representada por la magnitud de un voltaje.
• La velocidad angular es representada por la frecuencia de un voltaje generado.
Entre los tacómetros de magnitud hay dos tipos principales. Son el tacómetro generador de cd y el tacómetro
de rotor de metal no magnético.
Entre los tacómetros de frecuencia, hay tres tipos principales, son el tacómetro de campo rotatorio de ca, el
tacómetro de rotor dentado y el tacómetro de captación por fotocelda.
Tacómetros Generadores De Cd
El tacómetro generador de cd es, simple y sencillamente, un generador de cd. El campo se establece por
medio de un imán permanente montado en el estator o por un electroimán excitado separadamente en el
estator. El voltaje de salida es generado en un devanado de armadura de cd convencional con conmutador y
escobillas. La ecuación para un voltaje generado verdadero en un generador de cd es
VG = KBS
Donde VG representa el voltaje generado verdadero, K es alguna constante proporcional que depende de los
detalles de construcción (longitud del rotor, diámetro del rotor, etc.); B es la intensidad del campo magnético
y s es la velocidad angular medida en revoluciones por minuto.
Tacómetros De Rotor De Metal No Magnético
Un tacómetro de rotor de metal no magnético tiene dos grupos de devanados en su estator a ángulos rectos
entre ellos, al igual que un servomotor. Haga referencia a la figura 11 a. Sin embargo, el rotor no es un rotor
de jaula de ardilla. Es un cilindro hueco de cobre, llamado copa.
Uno de los devanados del estator, llamado devanado de excitación, es manejado por una fuente de voltaje de
ca. El otro devanado de estator es el devanado de salida. El devanado de excitación establece un campo
magnético alternante que induce corrientes de Foucault en la copa de cobre. Las corrientes de Foucault
establecen un campo de reacción de la armadura a ángulos rectos con el campo del devanado de excitación.
Todos los tacómetros que dependen de una magnitud de voltaje para representar la velocidad están sujetos a
errores causados por tres cosas:
• Carga de señal
• Variación de la temperatura
• Vibración del eje
Con respecto al problema 2, el voltaje suministrado por cualquier tipo de generador variará ligeramente a
medida que varía la carga de corriente en el devanado de salida. Esto es porque la caída del voltaje IR en un
devanado de salida varía a medida que varía su corriente.
Sobre el problema w, a medida que cambia la temperatura, las propiedades magnéticas del núcleo cambian,
causando variaciones en fla intensidad del campo magnético. A medida que varía la intensidad del campo
magnético, también varía el voltaje generado.
En relación con el problema 3, a medida que vibra el eje, el espacio preciso entre el devanado del campo y el
de la armadura cambia. Este cambio en el espaciado causa variaciones en el voltaje generado.
El diseño de los tacómetros modernos ha reducido al mínimo estos errores y ha producido tacómetros en los
11
que la linealidad del voltaje y velocidad es mejor que 0.5%. Esto es bastante adecuado para la mayoría de las
aplicaciones industriales.
Tacómetros De Campo rotatorio De Ca
El tacómetro de campo rotatorio de ca es un alternador de campo rotatorio, lisa y llanamente. El campo
generalmente es creado por imanes permanentes montados en el rotor. El eje del rotor está conectado al eje de
medición, y el campo magnético rotatorio entonces induce un voltaje de ca en el devanado de salida del
estator. La ecuación para la frecuencia del voltaje generado en un alternador de ca es
F = P X S / 120
donde F es la frecuencia en hertz, P es número de polos magnéticos del rotor y s es la velocidad de rotación en
r/min. Puede verse que la frecuencia de salida es una medición exacta de la velocidad angular del eje.
Tacómetros De Rotor Dentado
El tacómetro de rotor dentado es el más común de los tacómetros de frecuencia. Este tacómetro tiene varios
dientes ferromagnéticos en su rotor. En el estator tiene un imán permanente con una bobina de alambre
enrollada alrededor del imán.
A medida que gira el rotor, los dientes llegan a una proximidad cercana con el imán y luego lo pasan. Al
acercarse un diente al imán, la reluctancia del circuito magnético es baja, por lo que aumenta la intensidad del
campo en el núcleo del imán. Al no estar cerca ningún diente, la reluctancia del circuito magnético es alta, por
lo que disminuye la intensidad del campo en el núcleo del imán.
Tacómetros De Captación Por Fotocelda
Un tacómetro de captación por fotocelda es básicamente el mismo dispositivo para cortar periódicamente un
haz de luz. Se coloca un disco entre una fuente de luz y una celda fotovoltaica. Parte del disco permite el paso
del haz de luz, y parte del disco bloquea el haz de luz. La celda fotovoltaica constantemente está siendo
encendida y apagada, a una frecuencia que depende de la velocidad angular del disco. Conectando el eje del
disco al eje medido, la fotocelda generará una forma de onda de voltaje. La frecuencia de la forma de onda
medirá entonces la velocidad angular del eje.
Tacómetros De Frecuencia Contra Tacómetros De Magnitud
La ventaja principal de los tacómetros de medición de frecuencia es que no están sujetos a errores debidos a la
carga de salida, a la variación de temperatura y a la vibración del eje. Su linealidad es perfecta. Se requiere
mucho mayor esfuerzo para convertir una frecuencia a un formato legible que el requerido para convertir una
magnitud de voltaje a un formato legible. Los circuitos digitales deben pasar repetidamente por el ciclo de
conteo, almacenamiento, presentación y restablecimiento.
Muchas veces en el control industrial la velocidad medida se usa como una señal de realimentación.
Transductores De Efecto Hall
Explicación Del Efecto Hall
El efecto Hall es el fenómeno en el que los portadores de carga que se mueven a través de un campo
magnético son forzados hacia un lado del medio conductor. Haga referencia a la figura 13, en la que se ilustra
el efecto Hall para una situación en la que el movimiento de los portadores de carga es perpendicular a un
12
campo magnético externo impuesto. En la parte a, la corriente eléctrica sencilla está operando en un espacio
vacío de campos magnéticos. Se considera que la corriente está compuesta de portadores de carga positiva que
fluyen de arriba abajo a través de una pieza metálica plana. Note el hecho de que, en ausencia de un campo
magnético, los portadores de carga están distribuido de manera uniforme a través del ancho de la pieza
metálica plana.
Sin embargo, si el circuito idéntico es operado en la presencia de un campo magnético, los portadores de carga
se agrupan en un lado de la pieza plana. Los portadores de carga positiva se congregan a la izquierda de la
pieza debido a las fuerzas ejercidas sobre ellas resultantes de la interacción del movimiento de las cargas y el
flujo magnético. La magnitud de una fuerza individual en un portador de carga esta dada por la relación de
Lorentz.
F = qvB
En donde q es la carga, en coulombs, en un portador de carga individual; y es la velocidad del portador de
carga en metros por segundo; y B es la densidad de flujo magnético en webers por metro cuadrado, o teslas.
Transductor De Potencia De Efecto Hall
La forma de onda de voltaje de efecto Hall obtenida del transductor de la figura 14 consiste en un componente
de cd superpuesto sobre un componente alternante al doble de la frecuencia de la línea.
Algunos sistemas industriales modernos basados en una microcomputadora usan la potencia instantánea
máxima de un circuito como un parámetro de toma de decisiones. Esto generalmente se logra haciendo que la
microcomputadora tome muestras muy rápidamente del voltaje instantáneo de salida de un transductor de
efecto Hall.
Transductores De Humedad
Higrómetros Resistivos
Un higrómetro resistivo es un elemento cuya resistencia cambia con los cambios en la humedad relativa del
aire en contacto con el elemento. Los higrómetros resistivos generalmente consisten en dos electrodos de cinta
metálica en una forma de plástico. Los electrodos no se tocan, y están aislados eléctricamente entre ellos por
la forma de plástico.
A medida que la humedad relativa del aire circundante aumenta, la película de cloruro de litio absorbe más
vapor de agua del aire. Esto hace que su resistencia disminuya marcadamente. Debido a que la película de
cloruro de litio está en contacto íntimo con los dos electrodos metálicos, la resistencia entre las terminales de
electrodos también disminuye marcadamente. Una curva característica de resistencia contra la humedad
relativa para un higrómetro resistivo se muestra en la figura 15.
Válvulas Solenoide
En la figura 16 se muestra una vista de corte transversal de una válvula eléctrica operada por solenoide, o
simplemente válvula solenoide. El vástago de la válvula esta conectado a la armadura, por lo que también se
mueve hacia abajo y empuja fuertemente el tapón de la válvula contra el asiento de la válvula. Esto bloquea el
flujo de fluido entre los puertos de entrada y de salida. Cuando la bobina del solenoide es energizada y los
conductores de la bobina llevan corriente, se establece un campo magnético que jala hacia arriba la armadura.
La armadura debe vencer la fuerza del resorte que tiende a empujarla hacia abajo, a fin de colocarse a la mitad
de la bobina. A medida que se mueve hacia arriba la armadura, levanta el tapón de la válvula del asiento de la
válvula y abre paso de la entrada a la salida. Las válvulas solenoide son inherentemente dispositivos de dos
13
posiciones.
Se prestan para ser usadas en el modo de control de encendido apagado.
Las bobinas de los solenoides pueden diseñarse para operar con voltaje de ca o voltaje de cd, pero el diseño
más común es el de ca.
Las bobinas de los solenoides de ca tienen una debilidad muy seria que las válvulas de solenoide de cd no
tienen. Con una baja inductancia, la reactancia inductiva es baja también, y una gran corriente de ca fluirá a
través del núcleo indefinidamente. Esto en algún momento calentará el devanado de la bobina.
Válvulas De Dos Posiciones Manejadas Por Un Motor Eléctrico
En situaciones donde la válvula es grande, o donde debe operar contra una alta presión de fluido es mejor
actuar la válvula por medio de un motor eléctrico que por una bobina solenoide. La mayoría de las válvulas de
dos posiciones de este tipo son manejadas por un motor de inducción de fase dividida unidireccional. El motor
cuenta con un reductor para proporcionar una velocidad lenta del eje de salida y un par alto. En la figura 17 se
presenta un diagrama de los devanados, interruptores límite y conexiones del controlador del tal motor.
Válvulas Electroneumáticas
Para las válvulas grandes, pudiera no resultar práctico su manejo mediante un motor eléctrico. Al inercia y la
fricción de movimiento del ensamble de la válvula puede imposibilitar el uso de un motor eléctrico como
dispositivo posicionador. En tales situaciones, la válvula es movida por presión neumática o por presión
hidráulica.
Operador Electroneumático De La Válvula
En la figura 18 se muestra un diagrama esquemático del operador electroneumático de la válvula. La posición
final de la válvula es determinada por la magnitud de la corriente eléctrica de entrada.
La viga de balanceo es una viga metálica pequeña, de poco peso y libre de fricción, de algunas pulgadas de
longitud. Pivotea sobre un punto de apoyo a su lado derecho. Cuando una corriente de entrada es suministrada
a través de las terminales, la bobina actuadora del electroimán establece un campo magnético que interactúa
con el campo del imán permanente. La fuerza resultante de esta interacción jala hacia arriba la viga, lo que
tiende a girarla en dirección de las manecillas del reloj. La fuerza que tiende a rotar la viga en dirección de las
manecillas del reloj es proporcional a la cantidad de corriente que fluye de la bobina actuadora.
Si la viga gira ligeramente en dirección de las mancillas del reloj, el extremo izquierdo de la viga se eleva,
restringiendo el escape de aire de boquilla. Entre más se acerque el extremo izquierdo de la vía (llamado
deflector) a la boquilla, menos aire puede escapar de la boquilla. A medida que se corta el escape de aire, se
incrementa la presión en el tubo de presión variable que conduce a la boquilla. Esto ocurre porque se reduce el
movimiento del aire a través de la restricción fija, resultando una menor caída de presión a través de la
restricción y, en consecuencia, una mayor presión corriente debajo de la restricción.
A medida que el vástago de la válvula se mueve hacia abajo, hace que el resorte de realimentación ejerza una
fuerza contraria en el eje de balanceo, tendiendo a girarlo en sentido contrario a las manecillas del reloj.
Cuando el contrapar ejercido por el resorte de realimentación balanceada exactamente el par original ejercido
por electroimán, la viga se balancea en esa posición.
Válvulas Electrohidráulicas
14
En las situaciones de control en las que una válvula o amortiguador son muy grandes o pesados, o cuando es
difícil mantener la válvula en una posición estable debido a las grandes fuerzas irregulares ejercidas por el
fluido en movimiento, el mejor actuador es el posicionador hidráulico.
Un posicionador electrohidráulico de válvula común, fácilmente adaptable a un controlador proporcional, es
el mostrado en la figura 19. A medida que aumenta la corriente, se ejerce una fuerza mayor hacia la izquierda
de la viga de balanceo vertical. Esto tiende a rotar la viga en dirección contraria a las manecillas del reloj. En
el otro lado del punto pivote, hacia la parte inferior de la figura 19, hay un revelador del tubo de chorro. A
través del tubo de chorro es forzado aceite hidráulico a alta presión, emergiendo de la boquilla de chorro de
alta velocidad. Si el tubo de chorro está perfectamente vertical, el chorro de aceite hace impacto de igual
manera en el orificio izquierdo y el derecho. Por tanto, no hay desequilibrio de presión entre ambos lados del
relevador de tubo de chorro, y el pistón hidráulico está en equilibrio de fuerzas.
A medida que desciende la varilla del cilindro, la palanca de realimentacion gira en dirección de las
manecillas del reloj, jalada por el resorte de tensión A. La articulación a la izquierda de la palanca de
realimentacion incrementa la tensión del resorte de realimentacion B, y tiende a girar la viga de balanceo en
dirección de las manecillas del reloj.
Características De Flujo De Las Válvulas
La curva característica del flujo de las válvulas muestra el porcentaje de flujo máximo contra porcentaje de
abertura, para una caída constante de presión a través de la válvula. En un sistema real imposible mantener
una caída constante de presión a través de la válvula a medida que varía la posición de la válvula. Esto es
debido a que, a medida que varía la posición de la válvula, varía el flujo, causando que las pérdidas de presión
en el resto del sistema de tuberías también varíen. Específicamente a medida que aumenta el flujo, la caída de
presión en el resto del sistema de tubos se incrementa, dejando menos caída de presión a través de la válvula.
Esta situación es análoga a una fuente fija de voltaje operando una combinación en serie de un resistor fijo y
un resistor variable. A medida que disminuye la resistencia del resistor variable (análogo a abrir más una
válvula), el flujo de corriente aumenta, causando una caída de voltaje mayor a través del resistor fijo.
15