1. Tipos de Señales y Transductores

A. Tipos de Señales

• Señal analógica: La magnitud observada presenta una evolución continua en el margen de funcionamiento.
• Señal digital: Entre dos valores no existen valores intermedios; se salta directamente de uno a otro.

B. Sensores, Transductores, Captadores y Transmisores

• Sensor: Es el elemento que se encuentra en contacto directo con la magnitud a evaluar.
• Transductor: Transforma la señal que sale del sensor en otra de tipo eléctrico que se puede utilizar para medir. El transductor incluye el sensor como una parte de él.
• Captador: Es un transductor en el que la señal de salida no es de tipo eléctrico. También incluye al sensor.
• Transmisor: Es la circuitería que transforma la señal que sale del sensor, transductor o captador y la convierte en una señal normalizada.

C. Tratamiento de la Señal

Al final, se trata de que el circuito transmisor presente una salida para el fin previsto. Por ejemplo, en un termostato, en el eje OX (abscisas) están marcadas las temperaturas y en el eje OY (ordenadas), la tensión de salida. Por debajo de la temperatura umbral no hay salida, y por encima de esta temperatura la salida es de 24V. No hay estados intermedios; la señal solamente puede asumir dos valores. Se trata de una señal binaria que, como se ha comentado al principio, es un tipo de señal digital.

D. Propiedades de los Sensores

• Rango de medida: Margen de valores de la magnitud que el sensor puede medir.
• Sensibilidad: Relación entre la variación de la señal de salida y la variación de la magnitud de entrada.
• Resolución: Mínima variación de la magnitud de entrada que puede detectarse.
• No linealidad: Desviación de la relación entrada-salida respecto a una línea recta ideal.
• Histéresis: Diferencia en la salida para un mismo valor de entrada, dependiendo de si la magnitud está aumentando o disminuyendo.
• Repetibilidad: Capacidad del sensor para dar la misma salida ante la misma entrada en mediciones sucesivas bajo las mismas condiciones.

2. Transductores de Posición

A. Finales de Carrera Mecánicos

Detectan la presencia o ausencia de un objeto al final del recorrido de un elemento móvil. Según sea el elemento actuador del transmisor, se dividen en:

• Final de carrera de palanca
• Final de carrera de émbolo
• Final de carrera de varilla

B. Sensores de Proximidad Inductivos

Detectan la presencia de objetos metálicos sin necesidad de contacto físico, basándose en la alteración de un campo magnético.

C. Detectores Inductivos Sensibles a Materiales Ferromagnéticos

Se hace uso de un campo magnético estático que es modificado por la presencia del material ferromagnético a detectar. Están más próximos a los finales de carrera mecánicos, pues no precisan de alimentación eléctrica.

D. Detectores Inductivos Sensibles a Materiales Metálicos

Reaccionan ante cualquier material capaz de producir pérdidas por el efecto Foucault. Se hace uso de un campo magnético variable cuya dispersión en el espacio define el campo de sensibilidad del dispositivo.

E. Sensores de Proximidad Capacitivos

Utilizan un campo eléctrico como fenómeno físico aprovechable para reaccionar frente al objeto a detectar (pueden detectar materiales no metálicos).

F. Sensores Ópticos

Se clasifican en dos grupos:

• Sensores ópticos directos.
• Sensores ópticos con fibras ópticas acopladas.

Los tres sistemas principales de detección en las células fotoeléctricas son:

• Barrera: La célula está compuesta por dos módulos, un emisor y un receptor, colocados uno frente al otro. Detecta la interrupción del haz de luz.
• Reflexión (Réflex): La célula lleva el transmisor y el receptor montados en el mismo módulo y detecta el paso de cualquier objeto que refleje el haz hacia el receptor (a menudo usando un reflector).
• Proximidad (Difuso): La célula lleva el transmisor y el receptor en el mismo módulo, y percibe el paso de cualquier objeto próximo a ella que refleje suficiente luz hacia el receptor.

3. Transductores de Desplazamiento

A. Medidas de Grandes Distancias

El radar se emplea para distancias mayores de 100m, incluso para más de 10km. También se puede utilizar para medir la posición y la velocidad de objetos móviles aplicándolo al efecto Doppler.

B. Medidas de Distancias Cortas

Se emplean técnicas como ultrasonidos o láser para rangos intermedios.

C. Medida de Pequeños Desplazamientos

Existen muchos procedimientos para medir pequeños desplazamientos en función de que el transductor utilizado sea:

• Resistivo: Existen resistencias de hilo metálico o material semiconductor construidas para variar su resistencia al ser deformadas. Estas resistencias se denominan galgas extensométricas.
• Inductivo: (Ej. LVDT – Transformador Diferencial Variable Lineal).
• Capacitivo.

D. Medida de Ángulos

La medida de ángulos o desplazamientos angulares sigue principios similares a los medidores de desplazamiento lineales. Los transductores pueden ser:

• Resistivos (ej. potenciómetro).
• Inductivos (ej. resolver y syncro).
• Capacitivos.
• Discos codificados (encoders ópticos o magnéticos).

4. Transductores de Velocidad

A. Tacómetro

Es un instrumento que indica la velocidad angular, generalmente en rpm (revoluciones por minuto), de la máquina a la que va acoplado. El tacómetro mide una magnitud física o mecánica, de la que se conoce la ley de variación en función de la velocidad. Normalmente son tacómetros electrónicos (o tacogeneradores), que producen una tensión proporcional a la velocidad de rotación.

B. Medidor de Velocidad por Impulsos y Sistemas Ópticos

Utilizan sensores (inductivos, ópticos) para generar impulsos por cada revolución o fracción de ella, cuya frecuencia es proporcional a la velocidad.

5. Transductores de Presión

Se clasifican en tres grupos:

Mecánicos

Son elementos de medida directa que miden la presión comparándola con la fuerza ejercida por un elemento elástico o una columna de líquido de densidad y altura conocidas. Hay dos tipos principales basados en líquidos:

• Manómetro de presión absoluta.
• Manómetro de columna de líquido (Tubo en U).

Otros elementos mecánicos incluyen tubos Bourdon, diafragmas y fuelles.

Electromecánicos

Convierten la deformación de un elemento mecánico (diafragma, fuelle, etc.) debida a la presión en una señal eléctrica. Los más empleados son:

• Transmisores eléctricos de equilibrio de fuerzas.
• Resistivos (basados en potenciómetros o galgas extensométricas).
• Magnéticos (basados en variación de inductancia, LVDT).
• Capacitivos (basados en variación de capacitancia).
• Extensométricos (usan galgas extensométricas sobre un diafragma).
• Piezoeléctricos (generan una carga eléctrica proporcional a la presión).

6. Transductores de Temperatura

En la actualidad, los métodos empleados para la medida de la temperatura son múltiples, pero están basados en los siguientes fenómenos:

Variación de Resistencia de un Conductor (Termorresistencias)

Se basa en la variación de la resistencia de un conductor (generalmente platino, níquel o cobre) con la temperatura (termorresistencias o RTD). La medición de esta resistencia, utilizada para determinar la temperatura, se efectúa habitualmente mediante un puente de resistencias (puente de Wheatstone).

Variación de Resistencia de un Semiconductor (Termistores)

Se basa en la variación de la resistencia de un semiconductor con la temperatura. Los termistores son semiconductores (a base de óxidos metálicos) en los cuales su coeficiente de temperatura tiene un valor muy elevado (mayor sensibilidad que las RTD, pero a menudo menos lineales y con menor rango). Tipos:

• PTC (Positive Temperature Coefficient): Sondas de resistencia con coeficiente de temperatura positivo (la resistencia aumenta con la temperatura).
• NTC (Negative Temperature Coefficient): Sondas de resistencia con coeficiente de temperatura negativo (la resistencia disminuye con la temperatura).

Fuerza Electromotriz (Termopares)

Se basa en el efecto Seebeck: se genera una fuerza electromotriz (voltaje) en la unión de dos metales distintos cuando esta unión se somete a una variación de temperatura (termopares).

Intensidad de la Radiación (Pirómetros)

Miden la temperatura sin contacto, basándose en la intensidad de la radiación térmica emitida por un cuerpo (pirómetros de radiación). Pueden ser:

• Pirómetros ópticos (comparan el brillo del objeto con un filamento de referencia).
• Pirómetros de radiación total (miden toda la radiación emitida en una banda espectral).

Efectos Termoeléctricos Adicionales

• Efecto Thomson: Consiste en la liberación o absorción de calor cuando una corriente circula a través de un metal homogéneo en el que existe un gradiente de temperatura.
• Efecto Peltier: Provoca la liberación o absorción de calor en la unión de dos metales distintos cuando circula una corriente a través de la unión. Es el principio de funcionamiento de las células Peltier (refrigeración termoeléctrica).

7. Transductores de Luz

Hay dos tipos principales:

A. Resistencias LDR (Light Dependent Resistors)

También denominadas fotorresistencias, utilizan la propiedad de algunos materiales semiconductores de variar su resistencia eléctrica con la intensidad de la luz incidente.

B. Fotodiodos

Son semiconductores que generan una corriente eléctrica (o varían su conductividad) cuando incide luz sobre ellos. Funcionan basados en el efecto fotoeléctrico interno.

8. Detectores de Error o Comparadores

En sistemas de control, los comparadores tienen la misión de proporcionar una señal (señal de error) que informe de la diferencia entre la señal de referencia (valor deseado) y la señal realimentada (valor medido de la salida).

En los puentes de potenciómetros utilizados para comparar posiciones angulares o lineales, la señal de error se obtiene como la diferencia de potencial entre los dos cursores.

En los potenciómetros circulares, si representan ángulos, la señal de error puede ser: e = k(θ₁ – θ₂), donde k es una constante de proporcionalidad y θ₁ y θ₂ son los ángulos correspondientes a la referencia y a la salida medida.

9. Elementos Finales o Actuadores

Son los órganos de mando que actúan sobre el proceso (ej. una válvula, compuerta, motor, resistencia calefactora…). Entre ellos pueden estar las bobinas (solenoides) y los relés, capaces de obedecer una señal eléctrica o neumática procedente del controlador para llevar el elemento final a una posición o estado deseado.

Un ejemplo es el servomotor de válvula neumático, que consta de un diafragma sobre el que actúa la presión del aire, y ejerce una fuerza sobre el vástago de la válvula, a la que se opone la tensión de un resorte.

Los servomotores eléctricos son motores diseñados para control preciso de posición, velocidad o par. Pueden ser de dos tipos principales:

• Servomotores de continua (DC): Control por campo o control por armadura.
• Servomotores de alterna (AC): Síncronos o asíncronos.

Los servomotores de continua presentan a menudo una respuesta más rápida, mientras que los de alterna (especialmente los brushless) son comunes en aplicaciones industriales por su robustez y menor mantenimiento.

10. Conceptos Adicionales

Amplificador Operacional (Op-Amp)

Es un circuito eléctrico integrado (generalmente) que tiene dos entradas (inversora V⁻ y no inversora V⁺) y una salida (Vout). La salida es idealmente la diferencia de las dos entradas multiplicada por un factor de ganancia (G) muy grande: V_out = G · (V⁺ − V⁻). Sus aplicaciones son muy variadas:

• Calculadoras analógicas.
• Filtros activos.
• Preamplificadores y buffers de audio y vídeo.
• Reguladores de tensión.
• Conversores Analógico-Digital (ADC) y Digital-Analógico (DAC).
• Circuitos comparadores.
• Adaptadores de impedancia (evitar el efecto de carga).

Histéresis

En el contexto de sensores y sistemas, la histéresis se refiere al fenómeno donde la salida del sistema depende no solo de la entrada actual, sino también de su historia pasada. Gráficamente, los caminos que sigue la gráfica que relaciona la magnitud a medir con la señal eléctrica de salida no coinciden durante el proceso de aumento y disminución de la perturbación (magnitud de entrada).

Efecto Seebeck

Es una propiedad termoeléctrica descubierta por Thomas Seebeck. Hace referencia a la creación de una diferencia de potencial (voltaje) en un circuito formado por dos conductores distintos cuando sus uniones se mantienen a diferentes temperaturas. Es el principio fundamental de los termopares.

Sistemas de Control de Lazo Abierto

Son aquellos en los que la señal de salida no tiene influencia sobre la señal de entrada o la acción de control. El control sobre el proceso se basa únicamente en el modelo esperado del sistema y la señal de entrada o referencia.

El operador actúa sobre la señal de mando (entrada al controlador). Un componente del sistema de control denominado transductor (en la entrada) puede encargarse de transformar una determinada magnitud de entrada en otra más apta para su manipulación, denominada señal de referencia.

Ejemplo: Una tostadora temporizada. El tiempo se fija (entrada), pero el grado de tueste real (salida) no se mide ni afecta al tiempo de funcionamiento.

Sistemas de Control en Lazo Cerrado

Son aquellos en los que existe una realimentación de la señal de salida, o dicho de otra forma, aquellos en los que la señal de salida tiene efecto sobre la acción de control. La señal de salida medida se compara con la señal de referencia, y la diferencia (error) se utiliza para ajustar la acción de control y llevar la salida al valor deseado.

En algunas ocasiones, la señal controlada (salida) y la señal de referencia no son de la misma naturaleza. El instrumento encargado de detectar la señal de salida para utilizarla de nuevo en el lazo es el captador o sensor. Este elemento mide la señal controlada y la transforma en una señal (generalmente eléctrica) que puedan entender los demás componentes del sistema controlador (comparador, controlador).

Ejemplo: Un sistema de climatización con termostato. El termostato (sensor y comparador) mide la temperatura ambiente (salida), la compara con la deseada (referencia) y enciende o apaga la calefacción/aire acondicionado (actuador) para corregir la diferencia.