UNIVERSIDAD DE CIENCIAS Y ARTES DE CHIAPAS FACULTAD DE INGENIERÍA SUBSEDE REFORMA ASIGNATURA INSTRUMENTRACIÓN INDUSTRIAL TEMA TIPOS DE TRANSDUCTORES Y LOS USOS EN LA INDUSTRIA PRESENTA LUIS EDUARDO OLÁN CÓRDOVA DOCENTE M.C.I. JESÚS OCTAVIO MACÍAS MENDOZA Reforma, Chiapas. 1 25 de Agosto de 2023. Contenido Introducción ............................................................................................................................................ 5 Transductor ............................................................................................................................................ 6 Sensor ..................................................................................................................................................... 6 Unidad de acondicionamiento de señales ......................................................................................... 6 Dispositivo de representación de datos ............................................................................................. 7 Transductor ............................................................................................................................................ 7 ALTAVOZ................................................................................................................................................ 7 MICRÓFONO ......................................................................................................................................... 7 AMPLIFICADOR .................................................................................................................................... 7 DISPOSITIVO DE ENTRADA ............................................................................................................. 7 SISTEMA ................................................................................................................................................ 7 DISPOSITIVO DE SALIDA .................................................................................................................. 7 Clasificación de los transductores ...................................................................................................... 8 1. Efecto físico........................................................................................................................................ 8 2. Cantidad física ................................................................................................................................... 8 3. Fuente de energía ............................................................................................................................. 9 Características de los transductores .................................................................................................. 9 Tipos de transductores ....................................................................................................................... 10 Transductores mecánicos .................................................................................................................. 11 Transductores eléctricos .................................................................................................................... 12 Aplicaciones de los transductores .................................................................................................... 13 Conclusión ............................................................................................................................................ 14 Bibliografía ............................................................................................................................................ 15 2 Contenido ilustrativo Figura 1. Ejemplo ilustrativo sobre los tres elementos básicos de medición. .......................... 6 Figura 1.1. Ejemplo ilustrativo sobre un sensor de micrófono.. ............................................... 7 3 Contenido sobre cuadros o tablas Cuadro 1. Explicación del transductor activo y pasivo relacionada a fuentes de energía. ....... 9 Cuadro 1.1. Características de los transductores en tipo estática y dinámica. ...................... 10 Cuadro 1.2. Tipo de transductores mecánicos y la cantidad que sirve a medir. .................... 11 Cuadro 1.3. Tipo de transductores eléctricos y su especialización........................................ 13 Cuadro 1.4. Aplicación de los tipos de transductor. .............................................................. 13 4 Introducción Es posible que haya oído hablar de términos como sensores y transductores, a menudo con frecuencia, a menudo confusas. Existen diferentes puntos de vista y definiciones de sensores y transductores. De acuerdo con un conjunto de definiciones, un “sensor” es un elemento que detecta cambios en la energía de entrada y produce una salida en la misma o en diferente forma de energía. Al llegar a un “transductor”, utiliza el “principio de transducción” para convertir la medida en una salida utilizable. Basado en estas definiciones, un cristal piezoeléctrico es el sensor, mientras que un cristal piezoeléctrico con electrodos y algún tipo de mecanismo de entrada / salida conectada a él lo convierte en un transductor. 5 Transductor Antes de comprender qué es un transductor o sumergirse en los diferentes tipos de transductores, considere la siguiente configuración de un sistema de medición. En este diagrama de bloques de un sistema de medición simple, hay tres elementos básicos: • Sensor. • Unidad de acondicionamiento de señales. • Dispositivo de representación de datos. Magnitud física a detectar Cantidad detectada Sensor Magnitud no eléctrica Acondicionamiento de señal Magnitud eléctrica Representación de los datos Transductor Figura 1. Ejemplo ilustrativo sobre los tres elementos básicos de medición. Sensor Es un dispositivo que se utiliza para detectar cambios en cualquier cantidad física como temperatura, velocidad, flujo, nivel, presión, etc. Cualquier cambio en la cantidad de entrada será detectado por un sensor y reflejado como cambios en la cantidad de salida. Tanto las cantidades de entrada como las de salida de un sensor son físicas; es decir, son de naturaleza no eléctrica. Unidad de acondicionamiento de señales La cantidad de salida no eléctrica del sensor hace que sea inconveniente procesarlo más. Por lo tanto, la unidad de acondicionamiento de señal se utiliza para convertir la salida física (o salida no eléctrica) del sensor a una cantidad eléctrica. Algunas de las unidades de acondicionamiento de señal más conocidas son los convertidores de analógico a digital, amplificadores, filtros, rectificadores y moduladores. 6 Dispositivo de representación de datos Se utiliza un dispositivo de representación de datos para presentar la salida medida al observador. Esto puede ser cualquier cosa como una escala, una pantalla de LCD y un registrador de señales. Transductor Es una pieza que posee la particularidad de convertir o transformar en un sistema de entrada y de salida a un tipo de energía por otra. La salida de un transductor es proporcional a la entrada o cantidad medida que se utiliza para ello. Por ejemplo, la temperatura, la tensión, la suavidad, el sonido, el lugar y otras partes se transforman en su señal eléctrica proporcional utilizando un transductor equivalente a un termómetro, un transductor piezoeléctrico, un potenciómetro, un micrófono y muchos otros. Un transductor utiliza un sensor y una unidad de acondicionamiento de la señal para realizar la transducción. El sensor detecta cualquier cambio dentro de la cantidad o la vitalidad del cuerpo y ofrece una salida no eléctrica. Sensores y actuadores Tanto los sensores, dispositivos que responden a una cantidad física con una señal como los actuadores, dispositivos que responden a señales con movimiento físico (o acción similar) pueden considerarse como transductores. Por ejemplo, un micrófono es un sensor, que convierte las ondas sonoras en señales eléctricas y un altavoz es un actuador, que convierte las señales eléctricas en señales de audio. DISPOSITIVO DE ENTRADA SISTEMA MICRÓFONO AMPLIFICADOR DISPOSITIVO DE SALIDA ALTAVOZ Figura 1.1. Ejemplo ilustrativo sobre un sensor de micrófono. Tanto el micrófono como el altavoz son transductores en el sentido de que un micrófono convierte la energía del sonido en energía eléctrica y un altavoz convierte la energía eléctrica en energía sonora. 7 Clasificación de los transductores Hay varias formas en que puede clasificar los transductores que incluyen, entre otros, el papel del transductor, la estructura del transductor o los fenómenos de su funcionamiento. Es fácil clasificar los transductores como transductores de entrada o transductores de salida si se tratan como convertidores de señal simples. Los transductores de entrada miden cantidades no eléctricas y las convierten en cantidades eléctricas. Los transductores de salida, por otro lado, funcionan de manera opuesta, es decir, sus señales de entrada son eléctricas y sus señales de salida no son eléctricas o físicas como fuerza, desplazamiento, par, presión, etcétera. Dependiendo del principio de funcionamiento, los transductores también se pueden clasificar en mecánicos, térmicos, eléctricos, entre otros. La clasificación de los transductores se basa en las siguientes tres formas: 1. Efecto físico Está comprometido para convertir la cantidad física en cantidad eléctrica. Un ejemplo, es el cambio de resistencia (cantidad física) de un elemento de cobre en proporción al cambio en la temperatura. Los siguientes efectos físicos se utilizan generalmente en: ➢ Variación en la resistencia. ➢ Variación en la inductancia. ➢ Variación en la capacitancia. ➢ Efecto Hall. ➢ Efecto piezoeléctrico. 2. Cantidad física Se basa en la cantidad física convertida, es decir, el uso final del transductor después de la conversión. Por ejemplo, un transductor de presión es un transductor que convierte la presión en señal eléctrica. La siguiente es una pequeña lista de transductores clasificados según la cantidad física y los ejemplos correspondientes. 8 1. Transductor de temperatura: Termopar. 2. Transductor de presión: Manómetro Bourdon. 3. Transductor de desplazamiento: LVDT (transformador diferencial variable lineal). 4. Transductor de nivel: Tubo de par. 5. Transductor de flujo: Medidor de flujo. 6. Transductor de fuerza: Dinamómetro. 7. Transductor de aceleración: Acelerómetro. 3. Fuente de energía Los transductores también se clasifican en función de la fuente de energía. Bajo esta categoría, generalmente hay dos tipos de transductores: Transductores activos Transductores pasivos La energía de la entrada se utiliza como La energía de la entrada se convierte señal de control en el proceso de directamente en la salida. Por ejemplo, un transferencia de energía de la fuente de termopar es un transductor pasivo, donde la alimentación a la salida proporcional. energía térmica, que se absorbe de la entrada, se convierte en señales eléctricas Por ejemplo, una galga extensométrica es un (voltaje). transductor activo, en el que la deformación se convierte en resistencia. Pero dado que la energía del elemento tensado es muy pequeña, la energía para la salida es proporcionada por una fuente de alimentación externa. Cuadro 1. Explicación del transductor activo y pasivo relacionada a fuentes de energía. Características de los transductores Las características de rendimiento de un transductor son clave para seleccionar el transductor más adecuado para un diseño particular. Por lo tanto, es muy importante conocer las características de los transductores para una selección adecuada. Las características de rendimiento de los transductores se pueden clasificar en dos tipos: 9 Estáticas Dinámicas Son un conjunto de criterios de rendimiento Se relacionan con su rendimiento cuando la que se establecen a través de la calibración cantidad medida es una función del tiempo, estática, es decir, la descripción de la calidad es decir, varía rápidamente con respecto al de la medición manteniendo esencialmente tiempo. las cantidades medidas como valores Se relacionan con entradas dinámicas, lo constantes de variación muy lenta. que significa que dependen de sus propios Se relacionan con el rendimiento de un parámetros, así como de la naturaleza de la transductor cuando la cantidad medida es señal de entrada. esencialmente constante. Algunos ejemplos de sus características, Algunos ejemplos de sus características, son: son: sensibilidad, linealidad, resolución, • Error dinámico. deriva, estabilidad, respuesta, repetibilidad, • Fidelidad. impedancia de entrada e impedancia de • Velocidad de respuesta. salida. • Ancho de banda. precisión (exactitud), alcance, umbral, Cuadro 1.1. Características de los transductores en tipo estática y dinámica. En general, las características estáticas y dinámicas de un transductor determinan su rendimiento e indican la eficacia con la que puede aceptar las señales de entrada deseadas, así como rechazar las entradas no deseadas. Tipos de transductores Básicamente, existen dos tipos diferentes de transductores siendo los transductores mecánicos y los transductores eléctricos. Los transductores mecánicos son aquellos que responden a cambios en las cantidades físicas o la condición con la cantidad mecánica. Si la cantidad física se convierte en una cantidad eléctrica, entonces los transductores son transductores eléctricos. 10 Transductores mecánicos Como se mencionó anteriormente, los transductores mecánicos son un conjunto de elementos de detección primarios que responden a cambios en una cantidad física con una salida mecánica. Como ejemplo, una tira bimetálica es un transductor mecánico, que reacciona a los cambios de temperatura y responde con el desplazamiento mecánico. Los transductores mecánicos se diferencian de los transductores eléctricos ya que sus señales de salida son mecánicas. La cantidad mecánica de salida puede ser cualquier cosa como desplazamiento, fuerza (o par), presión y tensión. Para cualquier cantidad de medición, puede haber transductores mecánicos y eléctricos. Algunos ejemplos los transductores mecánicos para medir diferentes cantidades y que responden con señal mecánica, son: Cantidad a medir Transductor mecánico Tipo de señal de salida (mecánica) Temperatura Tira bimetálica Desplazamiento y fuerza Expansión de fluidos Desplazamiento y fuerza Manómetro de equilibrio de anillo Desplazamiento Diafragmas metálicos Desplazamiento y deformación Cápsulas y fuelles Desplazamiento membranas Desplazamiento Equilibrio de resorte Desplazamiento y deformación Célula de carga hidráulica Presión Célula de carga de columna Desplazamiento y deformación Dinamómetro Fuerza y tensión Giroscopio desplazamiento Muelles espirales Desplazamiento Barra de torsión Desplazamiento y deformación Elemento de obstrucción de flujo Tensión y presión Tubo de Pitot Presión manómetro Desplazamiento Elementos flotantes Desplazamiento, fuerza y tensión Presión Fuerza Par motor Gasto Nivel de líquido Cuadro 1.2. Tipo de transductores mecánicos y la cantidad que sirve a medir. 11 Transductores eléctricos Como se mencionó anteriormente, los transductores eléctricos son aquellos que responden a cambios en las cantidades físicas con salidas eléctricas. Los transductores eléctricos se dividen en transductores eléctricos pasivos y transductores eléctricos activos. A continuación, tenemos una segunda donde se enumeran algunos transductores eléctricos, siendo activos como pasivos. Transductores Transductores Termómetros de resistencia eléctricos resistivos Transductores de desplazamientos resistivos Transductores de deformación resistivos pasivos Transductores de presión resistivos Transductores de humedad resistivos Transductores Transductores de humedad capacitivos capacitivos Transductores de desplazamiento capacitivos Transductores capacitivos de espesor Transductores Transductores de desplazamiento inductivo inductivos Transductores de espesor inductivo Transductores inductivos de corrientes parásitas Transductores inductivos de núcleo móvil Transductores Transductores Transductores fotoconductores eléctricos fotoeléctricos Transductores fotoemisivos Transductores de fuerza fotovoltaica activos Transductores Transductores de deformación piezoeléctricos piezoeléctricos Transductores de aceleración piezoeléctricos Transductores de presión piezoeléctricos Transductores de par piezoeléctricos Transductores de fuerza piezoeléctricos Transductores Transductores de aceleración magnetostrictivos magnetostrictivos Transductores de fuerza magnetostrictiva Transductores de torsión magnetostrictivos Transductores Tacómetros electromecánicos Transductores de presión electrodinámicos Transductores de vibración electrodinámica Caudalímetros electromagnéticos 12 Transductores de Medidor de vacío de ionización ionización Transductores de desplazamiento por ionización Transductores de radiación nuclear Vacuómetro radiactivo Medidor de nivel radiactivo Medidor de espesor radiactivo Transductores electroquímicos Transductores de efecto Hall Transductores termoeléctricos Cuadro 1.3. Tipo de transductores eléctricos y su especialización. Aplicaciones de los transductores Transductor Aplicación Electromagnético Antenas, sensores de efecto Hall, cartuchos magnéticos, cabezales de lectura y escritura de disco. Electromecánica Acelerómetros, sensores de presión, galvanómetros, LVDT, células de carga, potenciómetros, MEMS, sensores de flujo de aire, motores lineales y rotativos. Electroquímica Sensores de hidrógeno, sensores de oxígeno y medidores de PH. Electroacústica Altavoces (auriculares), micrófonos, transceptores ultrasónicos, cristales piezoeléctricos, sonar y transductores táctiles. Fotoeléctrico LED, fotodiodos, células fotovoltaicas, diodos láser, fotorresistencias, fototransistores, lámparas incandescentes y fluorescentes. Termoeléctrico Termistores, termopares y Detectores de Temperatura de Resistencia. Radioacústica Tubo G-M (tubo Geiger-Muller), transmisores y receptores de radio. Cuadro 1.4. Aplicación de los tipos de transductor. 13 Conclusión Los transductores desempeñan un papel esencial en una variedad de aplicaciones industriales, incluidos los sistemas de medición, control y monitoreo. Con el avance de la tecnología y la creciente necesidad de instrumentación precisa y confiable, se ha desarrollado una gama de transductores diferentes para satisfacer las necesidades específicas de diferentes industrias, llegando a ser óptico, magnético, a presión, y más. El tipo de transductor utilizado depende de la aplicación y los requisitos del sistema industrial, logrando garantizar que se elija el tipo de transductor adecuado donde las empresas pueden beneficiarse de datos más precisos, logrando una mejor toma de decisiones y una mayor eficiencia y productividad. 14 Bibliografía • Teja, R. (2021). Diferentes tipos de transductores | Características, clasificación, aplicaciones. ElectronicsHub. https://www.electronicshub.org/types-of-transducers/ 15
