1. INTRODUCCION
2. CLASIFICACION DE LOS TRANSDUCTORES
3. TRANSDUCTORES DE POSICIÓN O DE PROXIMIDAD
3.1 FINALES DE CARRERA MECÁNICOS
3.2 TRANSDUCTORES INDUCTIVOS
3.3 TRANSDUCTORES CAPACITIVOS
3.4 TRANSDUCTORES ÓPTICOS
4. TRANSDUCTORES DE DESPLAZAMIENTO
4.1 TRANSDUCTORES RESISTIVOS
4.2 TRANSDUCTORES INDUCTIVOS
4.3 TRANSDUCTORES DE DESPLAZAMIENTO DIGITALES O ENCODERS
4.4 TRANSDUCTORES DE DESPLAZAMIENTO DE GRANDES DISTANCIAS
5. TRANSDUCTORES DE FUERZAS Y DEFORMACIONES
6.-TRANSDUCTORES DE VELOCIDAD
6.1 TACODINAMOS
6.2 TACOALTERNADORES
7. TRANSDUCTORES DE PRESIÓN
7.1 MECÁNICOS
7.2 ELECTROMECÁNICOS
7.3 ELECTRÓNICOS
8. TRANSDUCTORES DE TEMPERATURA
8.1 TERMOSTATOS
8.2 TERMORRESISTENCIAS
8.3 TERMISTORES
8.4 TERMOPARES
9. TRANSDUCTORES DE LUZ
9.1 RESISTENCIAS LDR
9.2 FOTODIODOS Y FOTOTRANSISTORES.
10. DIVISOR DE TENSIÓN
11. CONCLUSION
BIBLIOGRAFIA.
− Sistemas automáticos de control. Editorial Continental.
− Retroalimentación y sistema de control. McGrawHill.
− Tecnología industrial 2. Donostiarra.
1. INTRODUCCION
Los sistemas de control tienen elementos que convierten en señales eléctricas las variables físicas que se quieren medir y por ello están los transductores, captadores o detectores, que intervienen en la parte de entrada de señales de mando y regulación.
En este tema se hablará de los transductores y captadores de los sistemas de control, que son muy utilizados en la medición de variables y que tiene su importancia en el currículo de tecnología por su amplia aplicación, ya que este tema se ve ampliamente en bachillerato.
Los captadores y transductores se podrían integrar en un elemento llamado sensor. La diferencia entre captador y transductor están en su funcionamiento en el sistema de control. Así los sensores utilizados en el bloque de realimentación se llaman captadores y los que acondicionan la señal de mando para convertirla en una señal válida de referencia se llaman transductores.
Así el sensor o captador está en contacto con la magnitud a medir y el transductor convierte la magnitud medida del sensor en una magnitud eléctrica. Dentro de este sistema tiene importancia el transmisor que convierte la señal eléctrica de salida del transductor no procesable en una señal eléctrica o neumática normalizada.
2. CLASIFICACION DE LOS TRANSDUCTORES
Una clasificación general de los transductores sería: Transductores de parámetros físicos, de parámetros químicos o transductores de parámetros biológicos
En este tema se verán los de parámetros físicos que según la magnitud a convertir tenemos estos 7:
1.Transductores de posición o de proximidad
2.De desplazamiento
3.De fuerzas y deformaciones
4.De velocidad
5.De presión
6.De temperatura
7.De luz
3. TRANSDUCTORES DE POSICIÓN O DE PROXIMIDAD
Los transductores de posición o proximidad proporcionan una señal de todo o nada al detectar la presencia de un objeto. La detección puede ser por contacto físico o sin contactar con el objeto. Los más habituales son los finales de carrera mecánicos, y los detectores de proximidad inductivos, capacitivos y ópticos.
3.1 Finales de carrera mecánicos
Los finales de carrera mecánicos son dispositivos que activan y desactivan sus contactos, según el accionamiento mecánico del objeto sobre una palanca, émbolo o varilla produciendo el cambio en unos contactos. No admiten grades frecuencias de contactos.
3.2 Transductores inductivos
Los transductores inductivos se basan en el campo magnético que acciona con el objeto a detectar, con ello influye la distancia de actuación. Admite mayores frecuencias de trabajo y tienen menos desgaste por no existir contacto físico.
Según los materiales que pueden detectar existen 2 tipos de detectores de proximidad inductivos: Detectores sensibles a materiales ferromagnéticos y detectores sensibles a materiales metálicos
3.2.1.-Detectores sensibles a materiales ferromagnéticos
Se basan en la creación de un campo magnético estático que cambia con la presencia de un material ferromagnético que se quiere detectar. Está formado por dos imanes permanentes que crean un campo magnético estático. Si un objeto de material ferromagnético se acerca se produce un desequilibrio en el campo cerrando el circuito.
No necesitan corriente eléctrica ni contacto físico con el objeto a detectar. Se usa en situaciones donde no hay espacio para colocar un sensor mecánico con muchas actuaciones o si el polvo o humedad dificultan los de tipo mecánico. El inconveniente es su utilización
cerca de campos magnéticos como transformadores, motores eléctricos, etc. Su sensibilidad es de 10 a 20 mm.
3.2.2.-Detectores sensibles a materiales metálicos
Detectan un material que produzca pérdidas por corrientes de Foucault. Se basan en un campo magnético variable creado por el sensor inductivo que al reaccionar ante un material metálico producen pérdidas por efecto Foucault. El componente más importante es el circuito de resonancia LC, donde la bobina genera el campo magnético variable. Actúan entre 0,5 a 40 mm. Son robustos y resistentes a golpes y vibraciones.
3.3 Transductores capacitivos
Se basan en un campo eléctrico y pueden detectar cualquier tipo de objetos (líquidos, metales, sustancias en polvo, cereales, grava, etc). El sensor en forma de disco junto con una pantalla forman un condensador de un oscilador RC de capacidad conocida, que cuando actúa un objeto aumenta la capacidad y conmuta el circuito. Detecta objetos a una distancia de 40 mm, si tienen una densidad suficiente.
3.4 Transductores ópticos
Los sensores de proximidad ópticos, también llamados fotocélulas, se basan en la detección de la luz roja o infrarroja mediante dispositivos ópticos y electrónicos.
Están formados por un LED emisor de luz y un fotodiodo receptor de la misma. Cuando el elemento a detectar produce una variación en el acoplamiento óptico, se activa un circuito de conmutación. Se pueden detectar cajas, objetos, vehículos, etc. Existen 3 posibles montajes que son en barrera, en reflexión o en reflexión directa.
4. TRANSDUCTORES DE DESPLAZAMIENTO
Sirven para medir distancias ya sean cortas o largas. Existen transductores de desplazamiento resistivos, inductivos, digitales, de grandes distancias, etc.
4.1 Transductores resistivos
También llamados potenciómetros, se basan en una resistencia sobre la que se desplaza un contacto eléctrico. Pueden ser lineales que miden desplazamientos lineales y circulares que miden desplazamientos angulares.
Los Potenciómetros lineales se basan en la resistencia entre unos bornes según el coeficiente de resistividad, longitud y sección de un material resistivo, con lo que se obtiene una tensión proporcional al desplazamiento. Miden desde 1 mm hasta 1 metro
Los Potenciómetro circular mide ángulos, consta de una resistencia en anillo con dos bornes y un contacto eléctrico móvil, obteniendo una tensión de salida proporcional al ángulo desplazado. Miden desde 10º hasta varias vueltas.
4.2 Transductores inductivos
Veremos de dos tipos:
1. Transformador diferencial de desplazamiento lineal
En un soporte cilíndrico hay tres bobinados, en el centro el primario y dos en los extremos que son los secundarios. Dentro del cilindro se desplazará un núcleo de material ferro magnético movido por el objeto cuyo desplazamiento se quiere medir.
El transformador diferencial de variación lineal (LVDT) se basa en la variación de la inductancia mutua ente un primario y cada uno de los secundarios al desplazarse a lo largo de su interior un núcleo de material ferromagnético, arrastrado por un vástago no ferromagnético, unido a la pieza cuyo movimiento se desea medir.
Mide desde micras hasta decímetros. Se utilizan para medir rugosidades de superficies, espesores, etc.
2. Transductores inductivos syncro y resolver
Son los más empleados. El syncro se parece a un alternador que cuando se alimenta el rotor con corriente alterna, en los devanados del estator se induce tres tensiones en función del ángulo del rotor con uno de los devanados. Los sincros posicionan antenas parabólicas, alerones de aviones, etc.
En el resolver, el estator tiene dos devanados formando un ángulo de 90º.
4.3 Transductores de desplazamiento digitales o encoders
Los transductores de desplazamientos digitales o encoders son dispositivos que detectan posiciones angulares o lineales dando una señal
de salida digital según la posición en la que se encuentren. Se dividen en dos tipos:
1. Codificadores de tipo incremental que dan la posición relativa respecto a otra posición anterior. Se utilizan para medir desplazamientos y velocidades.
2. Codificadores de tipo absoluto que dan una posición concreta.
Los encoders son unos discos planos acoplados al eje a medir, que llevan en la superficie del disco unas bandas blancas y negras o unas muecas perforadas que darán la información digital y marcará la posición o ángulo a medir. Los sensores para medir son los fotoemisores y los fotorreceptores.
4.4 Transductores de desplazamiento de grandes distancias
Lo transductores de desplazamiento de grandes distancias se utiliza el radar que consta de un transmisor de radiaciones electromagnéticas emitidas por una antena y recogidas por un receptor que determina la distancia a la que se encuentra el objeto a detectar, con la relación entre velocidad y tiempo empleado en recorrer el trayecto. El sonar utiliza ultrasonidos, el radar microondas y el láser señales luminosas. Aplicando el efecto Doppler, se calcula la velocidad de objetos móviles.
5. TRANSDUCTORES DE FUERZAS Y DEFORMACIONES
Como transductor de fuerzas y deformaciones veremos las bandas o galgas extensiométricas.
Una galga extensiométrica es un dispositivo electrónico que aprovecha el efecto piezorresistivo para medir deformaciones. Ante una variación en la estructura del material de la galga se producirá una variación de su resistencia eléctrica.
Suelen aplicarse a la medida de fuerzas, de pares de energía mecánica, deformaciones y tensiones. Esto se logra adhiriendo la galga al material a estudiar y aplicando cargas que producen una deformación. Conocido el módulo de elasticidad del material de la estructura, mediante un ensayo de tracción, es posible determinar, a partir de la deformación medida por la galga, las tensiones que se producen
Para medir la variación de la resistencia eléctrica de las bandas extensiométricas se utiliza el Puente de Wheatstone, que consiste en 4 resistencias conectadas a una tensión constante. Las resistencias se sitúan en cada una de las ramas del puente, de forma que la tensión de salida será cero cuando el puente esté equilibrado. Si se produce la variación de alguna de las resistencias del puente, éste se desequilibrará y se producirá una variación en la tensión de salida.
6.-TRANSDUCTORES DE VELOCIDAD
Los transductores de velocidad se utilizar para medir velocidades de rotación o angulares. Como transductores se utilizan tacodinamos y tacoalternadores. Las tacodinamos proporcionan una señal de corriente continua y los tacoalternadores de corriente alterna.
Funcionan según la ley de Faraday, donde un conductor eléctrico dentro de un campo magnético variable induce en el conductor una corriente eléctrica proporcional a la variación del campo. Esta variación del campo magnético se puede conseguir por variaciones del propio campo o por el movimiento del conductor dentro del campo magnético.
6.1 Tacodinamos
Las tacodinamos constan de un inductor que genera un campo magnético con imanes permanentes y un inducido o rotor de forma cilíndrica sobre el que se bobinan una serie de devanados de hilo conductor. La tensión que se obtiene en las escobillas es proporcional a la velocidad de rotación. La sensibilidad de las tacodinamos está entre 5 y 10 miliVoltios por cada revolución por minuto y miden velocidades de incluso 10.000 vueltas por minuto.
6.2 Tacoalternadores
Los tacoalternadores suministran una señal alterna senoidal con una frecuencia y amplitud proporcional a la velocidad de giro. El elemento que gira es el inductor o rotor formado por un imán permanente o electroimán y en el estator está el inducido. La tensión inducida en el estator es una señal senoidal de amplitud y frecuencia proporcional a la velocidad de rotación. Como ventaja no se utiliza colector ni escobillas. La sensibilidad de los tacoalternadores está entre 2 y 10 miliVoltios por revolución por minuto.
7. TRANSDUCTORES DE PRESIÓN
Los transductores de presión proporcionan una señal de salida que puede ser analógica o digital.
Se fundamentan en que un sensor convierte la presión en una magnitud fácilmente traducible. Pueden ser del tipo diafragma, fuelle o pistón, donde la presión provoca una deformación o desplazamiento de estos elementos activando unos contactos eléctricos o para obtener una señal analógica.
Los detectores de presión pueden ser empleados para medir presión absoluta, relativa o diferencial, caudal con tubos Venturi y niveles nivel.
Los transductores de presión pueden ser, mecánicos, electromecánicos o electrónicos
7.1 Mecánicos
Los transductores mecánicos hacen la medición con la comparación con un líquido de densidad y altura conocida. Así tenemos estos 5:
A) Manómetro de presión absoluta que utiliza dos fuelles, uno para medir la presión atmosférica y otro para medir la presión relativa y del movimiento resultante de la unión de los dos fuelles resulta la presión absoluta.
B) Manómetro de columna de líquido, también conocido como manómetro en “U” y se utiliza para medir bajas presiones. El líquido que hay dentro del manómetro suele ser agua o mercurio.
Su funcionamiento consiste en que dar la presión a medir en la entrada del tubo en “U”, el líquido se desplazará una distancia a lo largo del tubo proporcional a la presión de entrada.
C) Tubo Bourdon, se trata de un tubo metálico de sección elíptica, curvado formando casi un anillo cerrado por un extremo, que si se aplica presión por el otro tiende a enderezarlo y por un sistema de palancas se traduce en una aguja o señal eléctrica.
D) Diafragma se trata de uno o varios discos cerrados por dos campanas. Por una de ellas entra la presión a medir y la otra queda abierta a la presión atmosférica. El disco o discos se desplazarán en función de la presión a medir.
E) Fuelle es similar al diafragma, pero de una sola pieza flexible axialmente que según la presión que le llegue se dilatará o contraerá.
7.2 Electromecánicos
Los transductores electromecánicos están formados por la unión de un medidor de presión mecánico (fuelle, tubo Bourdon o diafragma) que actúa como sensor, y un transductor elástico que genera la señal eléctrica correspondiente según la presión detectada por el sensor. Existen varios tipos: transmisores eléctricos de equilibrio de fuerzas, resistivos, magnéticos, piezoeléctricos, capacitivos, extensométricos.
7.3 Electrónicos
Los transductores electrónicos son transductores de presión muy sensibles. Pueden ser de los siguientes tipos: Mecánicos, térmicos o de
Ionización.
8. TRANSDUCTORES DE TEMPERATURA
Sirven para medir la temperatura y son dispositivos que pueden dar una señal de salida del tipo todo-nada, mediante contacto eléctrico como los termostatos o una señal analógica continua como las termorresistencias, termistores y termopares.
8.1 Termostatos
Los termostato tienen una lámina bimetálica que se dilata por la temperatura y activa o desactiva un circuito.
8.2 Termorresistencias
Las termorresistencias se basan en la variación de la resistencia eléctrica de los metales con las variaciones de temperatura. La
relación entre la resistencia eléctrica y la temperatura de un metal es bastante lineal según la expresión RT
= R0 (1 + αt)
La medición de una resistencia, utilizada para medir la temperatura, se lleva a cabo mediante un puente de Wheatstone.
8.3 Termistores
Los termistores se basan en la variación de la resistencia de un semiconductor con la temperatura. Existen dos tipos:
− PTC que son sondas con Coeficiente Positivo donde la resistencia aumenta al subir la temperatura.
− NTC que son sondas con Coeficiente Negativo donde la resistencia disminuye al subir la temperatura.
8.4 Termopares
Un termopar es un circuito formado por dos metales distintos que produce un voltaje siempre y cuando los metales se encuentren a temperaturas diferentes.
Se basa en la unión de dos metales diferentes por uno de sus extremos y cuando se calienta se da una diferencia de potencial que es proporcional a la diferencia entre los termopares de los dos extremos, debido a efecto Peltier y efecto Thomson.
Existen distintos tipos de termopares, según sea la composición de los dos hilos que lo forman, entre ellos citamos 3 tipos:
− Cobre – Constantán, de tipo T. Se utilizan con temperaturas bajas, entre -200 y 260°C.
− Hierro – Constantán, de tipo J. Para temperaturas entre 300 y 750°C.
− Cromel – Alumel, de tipo K. Para temperaturas entre 500 y 1000 °C.
Existen otros tipos de dispositivos detectores de temperatura, como los pirómetros de radiación que captan la energía térmica que irradia el cuerpo y la enfocan sobre un elemento sensible y los termómetros de cristal de cuarzo, basados en la variación, con la temperatura, de la frecuencia de un oscilador de cuarzo en contacto con el cuerpo que se va a medir.
9. TRANSDUCTORES DE LUZ
Los transductores de luz utilizan las radiaciones luminosas visibles o no visibles. Vemos 2 tipos:
9.1 Resistencias LDR
Se basan en la variación en la resistencia eléctrica de materiales semiconductores con la luz. El símbolo este:
La relación entre la resistencia de un material semiconductor y la energía luminosa se da por la expresión R = K × E −α donde k y α depende del material constituyente.
Son robustas donde en una base cerámica se coloca la capa fotoconductora protegida por plástico.
9.2 Fotodiodos y fototransistores.
Los fotodiodos es un dispositivo que al recibir la luz, produce una corriente eléctrica. Cuando no recibe luz se comporta como un diodo normal. Los paneles solares constan de fotodiodos.
El fototransistor es otro dispositivo sensible a la luz donde al incidir la luz sobre la base del fototransistor, se produce una corriente eléctrica entre el emisor y el colector. Estos sensores son más sensibles que los fotodiodos y amplifican los efectos de la luz incidente en la base.
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Los diodos LED pueden ser de color amarillo, verde o rojo y junto con el fototransistor se utilizan para detectores ópticos, su símbolo.
10. DIVISOR DE TENSIÓN
Un divisor de tensión esta formado por 2 o más resistencias alimentadas por una o varias pilas, produciéndose una caída de tensión en cada una de ellas. Con estos circuitos se obtienen varias tensiones y es muy utilizado en circuitos de polarización de transistores donde sólo se dispone de una pila.