· INTRODUCCIÓN
En la cadena de mando y control industrial son varias las partes que suelen intervenir: los bloques de entrada de señales de mando y posición; los que se encargan del procesamiento de las señales y de emitir las correspondientes órdenes de gobierno y los que se encargan de aplicar o convertir estas órdenes.
En la automatización de las industrias de proceso, y en definitiva, en el desarrollo industrial, se hace indispensable la utilización de elementos que puedan traducir y convertir en señales eléctricas las distintas magnitudes físicas que intervienen en todo proceso.
A estos elementos se les conoce con el nombre de transductores, y dentro de la cadena de mando, intervienen en la primera parte de entrada de señales.
Los transductores pueden ser de carácter activo o pasivo, dependiendo de si generan la señal captada o necesitan una alimentación externa para captar dicha señal, y pueden detectar sólo dos niveles o posiciones o bien captar cualquier nivel o posición, dentro de un intervalo.
1.- ELEMENTOS TRANSDUCTORES Y CAPTADORES DE LOS CIRCUITOS DE CONTROL
Un transductor es un dispositivo que convierte una señal de forma física en una señal correspondiente, pero de otra forma física distinta. Convierte un tipo de energía en otro, y dado que hay 6 tipos de señales: mecánicas, térmicas, magnéticas, eléctricas, ópticas y moleculares (químicas), cualquier dispositivo que convierta una señal de un tipo en una señal de otro tipo, se debe considerar un transductor.
En la práctica, transductor por antonomasia es aquél que ofrece una señal de salida eléctrica, y eso es debido al interés de este tipo de señales en la mayoría de los procesos de medida.
Se llama sistema a la combinación de dos o más elementos para realizar una o varias funciones, y en un sistema de medida aparecen los siguientes elementos:
En primer lugar, aparece el elemento sensor o captador, que es la parte del sistema que permanece en contacto directo con la magnitud que se mide, captando las variaciones de ésta. Por ejemplo, en un captador de posición, el elemento sensor puede ser un rodillo de un final de carrera, la placa de un detector capacitivo, el núcleo magnético de un detector inductivo, etc.
En segundo lugar, se encuentra el elemento transductor. Actúa estrechamente unido o relacionado con el elemento sensor (hasta confundirse con éste en algunas ocasiones). Su misión es convertir la magnitud entregada por el sensor en una magnitud eléctrica. Por ejemplo, en un sistema de transducción de fuerza, el transductor está formado por un puente de galgas extensiométricas, que al deformarse bajo la acción de la fuerza, varía su resistencia y, por tanto, la tensión en la “línea neutra” del puente (se montan en puente de Wheatstone).
Por último, finalizando la cadena de transducción y captación de señales, se encuentra el elemento transmisor o acondicionador de señal, que se encarga de ofrecer a partir de la señal de salida del transductor, una señal apta para ser presentada. Es decir, convierte la señal eléctrica de salida del transductor (todavía no procesable) en una señal eléctrica o neumática normalizada:
· Señal de tensión Uc (entre 0 y 10 V c.c).
· Señal de corriente Ia (entre 4 y 20 mA c.c).
· Señal de presión neumática (entre 0,2 y 1 Kg/cm2).
El elemento transmisor no forma parte físicamente del detector, pero resulta imprescindible para convertir y transmitir adecuadamente la magnitud física de que se trate. Por otra parte, se hace necesario que se encuentren calibrados los tres elementos. Normalmente, suele existir una calibración mutua entre elemento sensor y transductor intrínseca al proceso de fabricación del componente por estar tan íntimamente ligados, por lo que habrá que calibrar el elemento transductor con respecto al transmisor.
Finalmente, los sistemas transductores deberán de absorber el mínimo de energía durante el proceso de medición, con objeto de no influir sobre la magnitud que se va a medir.
2.- TIPOS DE TRANSDUCTORES
Teniendo en cuenta que hay multitud de transductores, veremos los más importantes siguiendo una clasificación según el tipo de magnitud que se desea convertir. En cada tipo se observarán, en ocasiones, dos formas distintas de salida : los detectores de contacto o que ofrecen a su salida una conexión o desconexión (ON-OFF) de un circuito eléctrico, y los detectores o transductores propiamente dichos, que convierten cualquier nivel de una magnitud eléctrica dentro de un intervalo.
2.1.- TRANSDUCTORES DE POSICIÓN
Fundamentalmente son elementos de acción todo o nada, basados en que detectan la presencia o posición de un objeto en un punto o lugar, determinado por la colocación física del elemento detector. Si el objeto se encuentra en ese punto, los contactos de salida se activan y se desactivan si desaparece el objeto. Los principales transductores de este tipo son:
Los finales de carrera. Estos dispositivos activan y desactivan sus contactos, en virtud del accionamiento mecánico de un rodillo basculante por ejemplo. El que sean accionados mecánicamente limita en gran medida la frecuencia máxima de operaciones. Tanto la correcta disposición del elemento, como la fuerza que sea necesaria para accionarlo, dependerán del volumen, peso y rigidez del objeto que se quiere detectar (fig.1).
Fig.1
Los microrruptores. Funcionalmente son idénticos a los finales de carrera, pero constructivamente son muy diferentes. Esto se debe a la menor fuerza de actuación, el ambiente en el que realizan su trabajo y a la distinta y menor capacidad de corte de sus contactos, por lo que no se utilizan en la industria pesada.
2.2.- TRANSDUCTORES DE PROXIMIDAD
Los detectores de proximidad cumplen básicamente los mismos objetivos que los detectores de posición (detectan la proximidad o presencia de un objeto y envían la señal todo-nada correspondiente). Pero se diferencian de aquéllos en que captan el objeto sin necesidad de que se ejerza un contacto o esfuerzo mecánico. El campo de actuación del elemento sensor, es decir, la distancia en la cual puede actuar el detector, está limitado por una distancia de conexión y otra de desconexión.
Sus ventajas son una mayor frecuencia de operaciones y un menor desgaste, lo que hace que en la mayoría de las aplicaciones se utilicen más que los detectores de posición.
Existen diversos tipos:
· El detector magnético con contacto Reed.
· Detectores inductivos (para c.c y c.a a 2 y 3 hilos).
· Detectores capacitivos.
· Detectores ópticos.
El detector magnético se basa en el efecto que causa el campo magnético de un imán permanente sobre un par de lengüetas enfrentadas e introducidas en un pequeño tubo de vidrio con un determinado gas. Las lengüetas, realizadas con materiales magnéticos, se unen o se separan en función de si está presente o no el imán. Este tipo de contactos magnéticos se denominan contactos Reed (fig. 2).
Fig. 2
El detector inductivo se basa en los efectos que causa un objeto metálico al ser introducido en un campo magnético alterno. El campo magnético es generado por una bobina inductora, implicada eléctricamente en un oscilador LC. Al interferir un objeto dentro de ese campo magnético, se inducen en él corrientes parásitas que, a su vez, originan un campo que se opone al principal, robando de éste la energía que se disipa en esas corrientes parásitas. La disminución energética de este campo alterno provoca una disminución de la amplitud de la señal del oscilador, lo cual es detectado en un circuito disparador que activa un relé o un transistor en colector abierto (fig. 3).
Fig. 3
Las distintas conexiones a dos y tres hilos para c.a y c.c las podemos encontrar en la fig. 4.
Fig. 4
El detector capacitivo es capaz de detectar cualquier objeto, metálico o no, que se introduzca en el campo de actuación del detector. Basado también en un circuito oscilante, pero aquí la parte sensible es una de las placas del condensador de un circuito oscilante LC. La otra placa de este condensador es la propia tierra.
Cuando un objeto se acerque a la placa sensible, debido a la variación dieléctrica que supone, altera la capacidad del condensador. Esta alteración origina, que el oscilador se ponga en funcionamiento a una frecuencia determinada y que se dispare el circuito de salida.
Aquí, a diferencia del detector inductivo, el circuito no oscila permanentemente, sino que inicia la vibración cuando la capacidad del condensador sobrepasa determinado valor Puede detectar un objeto sólido, independientemente de sus características eléctricas o magnéticas. Por lo demás, constructivamente son similares a los detectores inductivos (fig. 5) y en la forma de conexionarlos (fig. 4).
Fig. 5
Los detectores de proximidad ópticos basan su funcionamiento bien en la interrupción de un haz luminoso o bien por la reflexión de este haz sobre el objeto que se detecta, que incide en un elemento fotosensible (semiconductor LDR o célula fotovoltaica).
El elemento sensible detecta el objeto por ausencia o presencia de este haz luminoso. Al producirse esa variación luminosa, el sensor modifica su resistencia eléctrica, provocando a su vez una variación en el circuito eléctrico al que está conectado, lo que dispararía el relé de salida.
Son detectores que constan de dos partes: el emisor o dispositivo encargado de emitir el haz y el receptor o detector. Éste consta del elemento sensible, por ejemplo, la resistencia LDR, que se encarga de convertir la presencia o ausencia de luz en una resistencia variable, el transductor convertiría esas variaciones de resistencias en variaciones de tensión, en virtud de un circuito electrónico y el transmisor podría ser los contactos de un relé de salida o un transistor en colector abierto trabajando como conmutador. A veces, en lugar de tratarse de una radiación luminosa, se trata de una radiación infrarroja.
Las fotorresistencias LDR por tanto, se basan en la variación de una resistencia eléctrica de un semiconductor al incidir en él radiación óptica (radiación electromagnética con longitud de onda 
La conductividad eléctrica en un material depende del número de portadores en la banda de conducción. Si la radiación óptica tiene energía suficiente para permitir el salto de los e- en un semiconductor de la banda de valencia a la de conducción, pero sin exceder el umbral necesario para que se desprendan del material, se tendrá un efecto fotoeléctrico o fotoconductor, y a mayor iluminación, mayor conductividad. Si se excediera dicho umbral, se tendría efecto fotoeléctrico externo.
Son sensibles a la temperatura, afectando a su sensibilidad a la radiación incidente en un grado tanto más alto cuanto menor sea la iluminación. Los fotoconductores más comunes, utilizables a temperatura ambiente, son el SCd, SPb y SePb. Se fabrican en formas muy variadas (fig. 6).
Fig. 6
Otras aplicaciones aparte de emplear la luz como radiación a modificar en detectores de presencia, son la medida de luz, con poca precisión y bajo coste (en control automático de brillo y contraste en TV, control de diafragma de cámaras fotográficas, detección de fuego, control iluminación de vías públicas…).
2.3.- TRANSDUCTORES DE DESPLAZAMIENTO LINEAL
En este apartado se encuentran los transductores que, pudiendo cumplir una función similar a los descritos anteriormente, la información suministrada puede adoptar cualquier valor, de carácter continuo, dentro de un intervalo. Es una información analógica que indica la posición y, con los incrementos de ésta, el desplazamiento de un objeto, dentro de un intervalo preestablecido. Dentro de este grupo, cabe distinguir:
Los potenciómetros lineales, que asociados mecánicamente al elemento del que se desea captar su desplazamiento, convierten la variación de resistencia en una variación de posición y, por tanto, de desplazamiento (fig. 7).
Fig. 7
Un potenciómetro es un resistor con un contacto móvil deslizante o giratorio. La resistencia entre el contacto móvil y uno de los terminales fijos es:
Para tener alta resolución y larga vida a un bajo precio, se prefieren los potenciómetros basados en una película de carbón depositada sobre un soporte sola o bien aglomerada con plástico. Su coeficiente de temperatura es alto. Su aplicación es para el posicionamiento con motores lineales o cilíndricos (neumáticos e hidráulicos).
En dispositivos controladores de nivel, se utilizan en ocasiones detectores por ultrasonido. Estos elementos miden el tiempo que tarda en rebotar en el objeto una emisión ultrasónica. Este tiempo será proporcional a la distancia a la que se encuentra el objeto. El dispositivo consta de una parte emisora de la onda ultrasónica y una parte receptora que se encarga de medir el tiempo o el ángulo de retardo de la onda recibida y aportar una señal eléctrica de control, proporcional a ese tiempo de retardo.
2.4.- TRANSDUCTORES DE DESPLAZAMIENTO ANGULAR
En esta ocasión nos podemos encontrar con algunos elementos análogos a los del apartado anterior.
Para medir un ángulo o desplazamiento angular, se pueden utilizar los potenciómetros circulares acoplados al eje de un motor con ayuda de un sistema reductor de engranajes. Este potenciómetro no debe tener topes mecánicos de máximo y mínimo. Sus inconvenientes son el acoplamiento mecánico y de desgaste de la escobilla y de contacto en el potenciómetro.
Existen otros elementos, que sin las limitaciones que se han visto, son capaces de medir un desplazamiento angular. Son dispositivos ópticos que, acoplados al eje cuyo desplazamiento se desea determinar, aportan un impulso por cada incremento angular del paso mínimo. Lo normal es que en lugar de ofrecer una sucesión de impulsos, lo que aporten sea la sucesión de un código binario determinado (generalmente el código GRAY o el código BCD). Se les llama codificadores de posición o encoders, y están especialmente indicados tanto para la medida del desplazamiento angular de un eje, como para la derivada de éste con respecto al tiempo, es decir, la velocidad angular.
Otros dispositivos que también pueden aportar información sobre un desplazamiento y una velocidad angular son los resolvers, dispositivos que al igual que los encoders se describirán en el siguiente apartado.
2.5.- TRANSDUCTORES DE VELOCIDAD
Nos centraremos en los elementos que detecten velocidad angular, por ser éstos los más habituales. En cualquier caso, la velocidad lineal suele ser fácilmente convertible en velocidad angular mediante un sistema de engranajes o de fricción.
Son dispositivos que generan una señal eléctrica de determinadas características a partir de una velocidad o movimiento angular. En este apartado nos encontramos con:
Los tacogeneradores o tacómetros de c.a, similares a un generador de energía eléctrica, siendo la salida en forma de tensión variable, tanto en amplitud como en frecuencia. Para tener sólo amplitud variable y frecuencia constante, se emplean dos devanados a 90º, comportándose como un motor monofásico, es decir, con devanado de excitación, detección de tensión y rotor en jaula de ardilla (espiras cortocircuitadas dispuestas alrededor de un tambor) (fig. 8).
Fig. 8
Su sensibilidad es de 3 a 10 V a 1000 r.p.m. Son sensibles a la temperatura, por lo que se incorpora un termistor linealizado en serie con el devanado primario.
Los tacómetros de c.c o dinamos tacométricas, que son máquinas diseñadas con el objeto de absorber el mínimo de energía posible del eje del motor al que van acopladas. Son similares a los de alterna, pero rectificando la salida, como en los generadores de c.c. Hay un imán permanente (campo inductor) basado en una aleación especial y obtenido por sinterización, que crea un flujo magnético constante y un circuito con varias espiras que gira en su seno y en el que se induce una tensión. La conexión de salida se va conmutando periódicamente de forma que se obtiene una tensión continua de polaridad dependiente de la de la velocidad de giro y de amplitud proporcional a ésta, aunque no es estrictamente continua.
La característica fundamental de una dinamo es su constante de conversión, que suele venir en la placa de características. Esta constante viene dada en voltios/r.p.m indicando la tensión que se genera por cada revolución por minuto. Su sensibilidad es de 5 a 10 V a 1000 r.p.m, pudiendo llegar a alcanzar 8000 r.p.m, siendo el sistema utilizado por lazos de regulación de velocidad de motores de c.c.
Por último, reseñar que los tacómetros sólo aportan información de velocidad angular.
El encoder es un transductor digital, que ofrece a su salida una señal codificada correspondiente a la posición de un elemento móvil con respecto a una referencia interna. Es un dispositivo que, acoplado al eje en cuestión, trabaja como generador de impulsos. Éstos se generan debido a la interposición, en una o varias barreras fotoeléctricas, de un disco opaco con una serie de perforaciones o canaladuras en su superficie. Estas perforaciones, cuando coinciden, por el efecto del giro, con las barreras fotoeléctricas pertinentes, originan una serie de impulsos de conexión-desconexión. Estos impulsos son llevados a un contador electrónico, que suele ir constructivamente asociado al encoder (fig 9).
Fig. 9
Es también frecuente que el encoder aporte a su salida la configuración de algún código binario como se dijo antes. La información que se puede extraer de un encoder es tanto para el desplazamiento angular como su velocidad, utilizando los circuitos electrónicos adecuados, y sus aplicaciones se encuentran en la robótica, plotters, máquinas-herramienta, etc.
El resolver o sincrodesfasador es una máquina que tiene en el estator dos bobinas separadas y colocadas en cuadratura. El rotor está constituido por una única bobina, que se alimenta por una tensión alterna (fig. 10). Según el principio del transformador y teniendo en cuenta el ángulo del rotor, podemos decir que las tensiones eficaces en las bobinas del estator son:
Fig. 10
Procesando de forma adecuada las dos tensiones recogidas en las bobinas del estator, podemos deducir el ángulo o posición angular del eje. Los incrementos de este ángulo serán la medida del desplazamiento, y su derivada con respecto al tiempo será la velocidad angular. Estos dispositivos se emplean, fundamentalmente, en controles rigurosos de posicionamiento y velocidad, siendo estos sistemas más caros que los basados en dinamos tacométricas, debido a la complejidad de los circuitos electrónicos que requieren.
2.6.- TRANSDUCTORES DE PRESIÓN
La presión es otra de las magnitudes cuya regulación y control se realiza con mayor frecuencia dentro del proceso industrial, tanto en lo referente a la presión de fluidos líquidos como gaseosos. En el caso de gases se pueden convertir presiones tanto por encima como por debajo de la presión atmosférica. La presión es una fuerza por unidad de superficie, y para su medida se procede bien a su comparación con otra fuerza conocida, bien a la detección de su efecto sobre su elemento elástico.
El diagrama de bloques de lo que podría ser un sistema de medición de presión lo tenemos en la fig. 11:
Fig. 11
En este caso, el sensor se encarga de convertir la presión en otra magnitud más fácilmente traducible, por ejemplo, en los manómetros de columna de líquido, como el tubo en U, el resultado de la comparación de la presión a medir y una presión de referencia, es una diferencia de nivel de líquido h, y un transductor de nivel permite la obtención de una señal eléctrica. Los dispositivos utilizados derivan del tubo Bourdon o del diafragma. En todos los casos se convierte la presión en el desplazamiento o deformación de estos elementos con la consiguiente fuerza que provoca esa deformación. A veces esa deformación es empleada directamente para activar y desactivar unos contactos eléctricos. En este caso, el transductor es el dispositivo mecánico que enlaza el sensor con los contactos accionados (presostatos).
El tubo Bourdon, consiste en un tubo metálico de sección transversal no circular, obtenido a base de aplanar un tubo de sección circular, que tiende a recuperar dicha forma cuando se aplica una diferencia de presión entre el interior y el exterior. Si se ciega el tubo por un extremo y se empotra rígidamente al otro, esta tendencia a recuperar la sección transversal provoca un desplazamiento del extremo libre.
Un diafragma es una placa circular flexible que consiste en una membrana tensa o una lámina empotrada que se deforma bajo la acción de la presión o diferencia de presiones a medir. La transducción se realiza detectando el desplazamiento del punto central del diafragma, su deformación global o la deformación local (galgas extensiométricas).
A lo largo y ancho del diafragma hay tracciones y compresiones, por lo que conviene disponer varias galgas y combinarlas en un puente de medida para tener efectos aditivos y compensación de temperatura.
Los materiales elásticos empleado son: cobre al berilio, aceros inoxidables, aleaciones Ni-Cu e incluso silicio en diafragmas que deban incorporar galgas extensiométricas del mismo material.
Si el desplazamiento obtenido no es suficiente, se puede emplear cápsulas y fuelles. Una cápsula consiste en dos diafragmas apareados unidos por el borde y dispuestos en caras opuestas de la misma cámara. Los fuelles son cámaras flexibles con elongación axial.
Los presostatos, son componentes todo-nada, muy utilizados para la elevación y suministro de fluidos mediante bombas eléctricas y sistemas acumuladores de presión.
Sin embargo, a veces deseamos obtener una señal analógica dentro de un intervalo de actuación. Para ello, tenemos distintos sistemas:
Los transductores piezoeléctricos (fig. 12) convierten una fuerza en una tensión eléctrica, debido al fenómeno piezoeléctrico. El efecto piezoeléctrico (que es reversible) consiste en la aparición de una polarización eléctrica en un material al deformarse bajo la acción de un esfuerzo. Las propiedades piezoeléctricas se manifiestan en 20 de las 32 clases cristalográficas, aunque en la práctica se usan sólo unas pocas, y también en materiales amorfos ferroeléctricos. Entre los naturales, los usuales son el cuarzo y la turmalina y de las sintéticas, las cerámicas.
Fig. 12
Las galgas extensiométricas (fig. 13), que están basadas en la variación de longitud y diámetro, y por lo tanto de resistencia eléctrica, que presenta una galga conductora al ser sometida a una tensión mecánica. La variación que experimenta la resistividad como resultado de un esfuerzo mecánico es lo que se conoce como efecto piezorresistivo. Un resistor dispuesto de forma que sea sensible a la deformación constituye una galga. El esfuerzo aplicado no debe llevar a la galga fuera del margen elástico de deformaciones, y la medida de un esfuerzo sólo será correcta si es transmitido totalmente a la galga, debiendo estar aislada eléctricamente del objeto donde se mida y protegida del ambiente. Los materiales empleados son: diversos conductores metálicos (aleaciones constantan, advance, karma) y también semiconductores como el silicio y el germanio.
Fig. 13
Los transductores inductivos, que miden las variaciones de tensión inducidas en un transformador, debido al desplazamiento que sufre su núcleo magnético, asociado mecánicamente con el sensor. Estos transductores también son aplicados para la medida de desplazamiento y posición lógicamente, y como detectores de proximidad (son detectores inductivos los que se colocan debajo del pavimento para contar el número de vehículos).
Los transductores capacitivos, que varían la capacidad de un condensador al variar, por desplazamiento, la posición de una placa con respecto de la otra. Al igual que en el apartado anterior, son aplicados también para medidas de desplazamiento, posición y detectores de proximidad. Las variaciones de la constante dieléctrica se aplican en la medida de humedad .
Todos éstos son los más utilizados, aunque también conviene relacionar otros tipos que pueden darse en ocasiones como los potenciométricos, los térmicos y los de ionización.
Finalmente, la señal eléctrica entregada por el traductor ha de ser aceptada, mediante el transmisor, para su procesamiento.
Los detectores de presión pueden ser empleados para medir distintos conceptos de presión (relativa, absoluta y diferencial), e incluso para medir magnitudes distintas a la presión, como, por ejemplo, el caudal (con elementos diferenciales y tubos Venturi) y hasta incluso el nivel (en recipientes estancos, conteniendo fluido no compresibles).
2.7.- TRANSDUCTORES DE TEMPERATURA
En el caso de la temperatura nos encontramos, igualmente, con dispositivos cuya salida es de la forma todo-nada (mediante contacto eléctrico) y con dispositivos que aportan a su salida una señal analógica continua.
Los primeros reciben el nombre de termostatos (fig. 14), y la configuración que suelen adoptar es la de un elemento o plaquita bimetálica actuando como sensor. Bimetal es toda pieza formada por dos metales con distinto coeficiente de dilatación térmica unidos firmemente, por ejemplo, por soldadura autógena, y sometidos a la misma temperatura Cuando se produce un cambio de temperatura, la pieza se deforma según un arco circular uniforme. La dilatación que sufre esta placa, por efecto de la temperatura, se traduce en la activación o desactivación de unos contactos eléctricos. Se utiliza invar (acero al niquel) y como metal A latón u otros materiales similares y se utilizan cuando el control de temperatura no es muy exigente, en sistemas conexión-desconexión.
Fig. 14
Este dispositivo (al igual que otros con respecto a otras magnitudes), padece un fenómeno de histéresis, es decir, conecta a una temperatura distinta e inferior a la de desconexión.
Otra forma de detector de temperatura de acción todo-nada, es la que emplea como principio un presostato, al cual está unido, como elemento sensor, una bulba rellena de un gas cuya presión es proporcional a la temperatura de dicho gas. Este tipo de elementos se utiliza principalmente como termostatos en sistemas de refrigeración, y se colocan en contacto con las tuberías por las que circula el fluido refrigerante.
Dentro de los dispositivos que aportan una señal analógica, podemos distinguir:
El termómetro de resistencia (fig. 15).
Fig. 15
A veces se llaman PRT porque el material empleado con mayor frecuencia es el platino. Su símbolo eléctrico es:
La diagonal indica que varía de forma intrínseca linal y la anotación indica que la variación es debida a la temperatura y tiene coeficiente positivo. Su fundamento es la variación de la resistencia de un conductor con la temperatura:
donde R0 es la resistencia a la temperatura de referencia y T el incremento de temperatura respecto a la de referencia.
Se alimentan generalmente con corriente continua y requieren un cierto número de equipos eléctricos que convierta esa variación de resistencia eléctrica en una variación de tensión o intensidad.
La resistencia de la conducción eléctrica desde el termómetro hasta el convertidor de medida influye en la medición y ha de tenerse en cuenta, por lo que se suele utilizar un tercer conductor de compensación (fig. 16). El elemento resistivo se suele montar en un circuito puente con el objeto de convertir las variaciones de resistencia en la señal de control adecuada. En este caso, el conductor de compensación (a) cumple el objetivo de compensar la influencia del conductor b, al estar montados en brazos opuestos.
Fig. 16
La sensibilidad de estos transductores es 10 veces mayor que la de los termopares, alta repetibilidad y exactitud (en el caso del platino) y bajo coste para el cobre y el niquel. La resistividad debe ser alta para poder tener una sonda con valor óhmico suficientemente alto para permitir el empleo de hilos de conexión largos y a la vez con poca masa para tener una respuesta térmica rápida.
Los modelos para inmersión en fluidos consisten en un hilo bobinado sobre un soporte y protegido por una cubierta inerte.
Otra aplicación, aparte de la medición de la temperatura de los elementos resistivos de platino es la medida de la velocidad de un fluido (anemometría de hilo caliente), donde a un hilo muy fino y corto sujeto a un soporte, se le hace circular una corriente eléctrica.
El termopar basa su funcionamiento en el principio físico que establece que, si unimos dos materiales distintos, obtenemos en los extremos de esa unión una pequeña f.e.m. que es proporcional a la temperatura a la que está sometido ese elemento (fig. 17).
Fig. 17
Realmente, se basan en dos efectos reversibles: el efecto Peltier y el efecto Thompson. Seebeck fue quien descubrió en 1822 que en un circuito de dos metales distintos A y B, con dos uniones a diferente temperatura, aparece una corriente eléctrica, o si se abre el circuito, una fuerza termo-electromotriz que depende de los metales y de la diferencia de temperatura entre las dos uninoes.
El efecto Peltier consiste en que al hacer circular corriente por un conjunto de termopares, una unión se enfría y la otra se calienta. Si se invierte la corriente es al revés, dependiendo este efecto sólo de la composición y temperatura de la unión.
El efecto Thompson consiste en la absorción o liberación por parte de un conductor homogéneo con temperatura no homogénea por el que circule una corriente. Se absorbe calor al fluir corriente del punto más frío al más caliente y se libera cuando fluye del más caliente al más frío (se absorbe calor si la corriente y el calor fluyen en direcciones opuestas y se libera calor si fluyen en la misma dirección.
Este tipo de elementos se emplea en los sistemas en los que la temperatura sea más o menos constante en el punto de comparación. Suelen tener una polaridad eléctrica determinada.
Existen distintos tipos de termopares, según sea la composición de los dos hilos que lo forman; de menor a mayor temperatura se utilizan los siguientes:
T Cobre-Constantan (-200ºC+260ºC)
J Hierro-Constantan (0ºC a + 400ºC)
K Cromel-Alumen (0ºC a 1200ºC)
R o S Platino rodio-Platino (0ºC a 1600ºC)
B Platino rodio-Platino rodio (Hasta 1800ºC)
La relación f.e.m./temperatura de estos elementos no es lineal, por lo que las escalas de los instrumentos de control de temperatura dependerá de cada trípode termopar utilizado. No obstante, existen instrumentos que linealizan las lecturas, basados en microprocesadores que consiguen su objetivo bien por hardware o por software.
Normalmente, linealizado o no, el termopar suele conectarse a un circuito comparador potenciométrico.
Los diferentes sensores de temperatura deben protegerse del proceso introduciéndose en vainas o fundas, ajustando al máximo el sensor dentro de la vaina, con el objetivo de lograr una mínima resistencia a la transferencia de calor y obtener, por tanto, una mayor velocidad de captación.
El termistor, que es una castellanización del inglés thermistor. Son resistores variables con la temperatura, pero basados en semiconductores, y siendo esa variación no lineal. Si su coeficiente de temperatura es menor que cero se llaman NTC y si es positivo PTC. Sus símbolos eléctricos son:
Su fundamento es la dependencia de la resistencia de los semiconductores con la temperatura, debida a la variación con ésta del número de portadores. Al aumentar la temperatura, lo hace el número de portadores y se reduce la resistencia (NTC). Si el dopado es muy intenso, el semiconductor adquiere propiedades metálicas con coeficiente de temperatura positivo (PTC).
Las NTC se fabrican a base de mezclar y sintetizar óxidos dopados de metales como niquel, cobalto, manganeso, hierro y cobre. El proceso se realiza en una atmósfera controlada dándoles la forma y tamaño deseados. La proporción de óxidos determina la resistencia y el coeficiente de temperatura. Para altas temperaturas se emplean óxidos de ytrio y circonio.
Las PTC de conmutación están basadas en titanato de bario al que se añade titanato de plomo o de circonio para determinar la temperatura de conmutación, y las de medida, están basadas en silicio dopado (fig. 18).
Fig. 18
Las formas de gota, escama y perla se prefieren para aplicaciones de medida de temperatura, mientras que las de disco, arandela y varilla son para compensación y control de tempèratura y para aplicaciones con autocalentamiento.
Existen otros detectores de temperatura, como por ejemplo:
Los transductores piroeléctricos o detectores de radiación, que captan la energía que radia del cuerpo del que se quiere captar la temperatura y la enfocan sobre un elemento sensible. El efecto piroeléctrico es análogo al piezoeléctrico, apareciendo cargas superficiales en una dirección determinada cuando el material experimenta un cambio de temperatura, debido al cambio de su polarización espontánea al variar la temperatura.
Como también se basa en la anisotropía de los cristales, muchos materiales piezoeléctricos son también piroeléctricos. De las 20 clases cristalográficas no centrosimétricas, 10 tienen eje polar de simetría y son piroeléctricos. Hay dos grupos: los lineales, donde la polarización no se puede cambiar a base de invertir el sentido del campo eléctrico, como la turmalina, sulfato de litio, de cadmio y selenio, y los ferroeléctricos como el tantalato de litio.
Las propiedades piroeléctricas desaparecen cuando se alcanza la temperatura de Curie.
La aplicación más inmediata es la detección térmica a temperatura ambiente, como pirómetros (fig. 19) (medida de temperatura a distancia), radiómetros (medida de la potencia generada por una fuente de radiación), detectores de intrusos y en termómetros de alta resolución.
Fig. 19
El termómetro de cristal de cuarzo. Se trata de un tansductor de frecuencia variable, que mide la frecuencia de un oscilador de cuarzo en contacto con el cuerpo que se va a medir, frecuencia que variará con la temperatura a la que está sometido el cristal.
Se basa en el coeficiente de temperatura de un oscilador de cuarzo piezoeléctrico (fig. 20). Para alta frecuencia, se utiliza este modelo eléctrico para un elemento con electrodos metálicos depositados en dos de sus caras. L1 viene determinada por la masa del cristal, C1 por la elasticidad o compliancia mecánica, R1 por la fricción interna y C0 es la capacidad del soporte del cristal en paralelo con la de los electrodos metálicos, con el material piezoeléctrico, como díeléctrico. La presencia de un circuito resonante permite emplear dicho elemento como base de un oscilador.
Fig. 20
Una variante basada en un oscilador piezoeléctrico emplea la influencia de la masa en la frecuencia de asignación. Se aplica a la medida de humedad, y para ello se recubre el cristal con un material higroscópico que se expone al ambiente cuya humedad se desea medir. El agua absorbida provoca un aumento de la masa y hace disminuir la frecuencia de oscilación del cristal.
BIBLIOGRAFÍA
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