SENSORES Y TRANSDUCTORES

La primera unidad de cualquier sistema de control es un dispositivo sensible a los cambios en la cantidad variable que se mide. Cuando la variable es de naturaleza no eléctrica, resulta ventajoso convertir los cambios físicos en variaciones eléctricas mediante un transductor. Para controlar la temperatura en una docena de lugares de una planta industrial y observar estas temperaturas desde algún lugar remoto, un método práctico consiste en instalar una termocupla en cada uno esos sitios y llevar la salida de cada termocupla a un selector rotativo en un punto centralizado (figura 1). El operador en el panel central puede simplemente conmutar la llave al punto deseado y leer la salida eléctrica en un instrumento en términos de grados.

Fig. 1. Control remoto de varias termocuplas en un punto central.

Un sistema de instrumentación (sin elemento de control) puede considerarse formado por tres bloques funcionales (figura2):

1. El detector o sensor, que cambia (o transduce) en señal eléctrica la cantidad que se mide.2. Un bloque modificador de la señal a una forma de onda apropiada.3. La lectura de la cantidad que se mide, que puede ser simplemente un indicador, o incluir

un registrador para un gráfico escrito, o un osciloscopio para la observación visual de la forma de onda.

Fig. 2. Entradas de transductores fotovoltaico y fotoconductor a un sistema de control de luz.

Las muchas maneras posibles de combinar los tres elementos básicos del sistema de instrumentación constituyen un desafío al ingenio.

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Un operador podrá utilizar diversos tipos de transductores para controlar muchas variables en un punto central. Encontrará que el transductor más adecuado y efectivo es el punto de partida para establecer un sistema de instrumentación.

Clasificación de los transductoresPrácticamente, cualquier cosa mensurable puede ser convertida en una salida eléctrica mediante un transductor, ya se trate do sonido, luz, temperatura o presión. Así, los transductores pueden clasificarse, de acuerdo con sus aplicaciones, en:Acústicos: micrófonos.Magnéticos: permeámetros, magnetómetros, semiconductores de efecto Hall.Los transductores pueden clasificarse también conforme al principio eléctrico que utilizan para convertir la cantidad variable:Transductores inductivos:

a) Transformador lineal diferencial variable (LVDT).b) Pick ups de reluctancia variable (como en las cápsulas reproductoras).c) Generadores y receptores Selsyn.

Transductores capacitivos:a) Sensores LC y RC de alta frecuencia (como los pick ups de vibración).b) Válvula reactancia para producir modulación de frecuencia (como en telemetría).

Transductores acústicos (micrófonos)IntroducciónDesde la invención del Disco de Rayleigh se han sucedido los esfuerzos de creación de transductores para las medidas de sonido.El método del Disco de Rayleigh utiliza la visualización de la deflexión de la membrana vibrante sometida a la acción sonora y mide la velocidad de las partículas. A medida que los procesos tecnológicos se desarrollaron se evolucionó hacia la medida de presiones sonoras. Los micrófonos más modernos responden a las diferencias de presión a través del diafragma, lo cual puede obtenerse por mediación de una diferencia de fase de la presión sonora en cada lado del diafragma, midiendo así la velocidad de las partículas sonoras; ó bien manteniendo constante la presión en un lado del diafragma y realizando de este modo la medida de la presión sonora. Al primer tipo se le conoce con el nombre de micrófono de gradiente de presión y al segundo se le denomina micrófono sensible a la presión sonora.Desde el punto de vista de las medidas, el criterio básico, es que los micrófonos deben proporcionar una respuesta eléctrica que sea fiel reproducción de la señal sonora, en una gama dinámica amplia y en un margen de frecuencias también amplio.

Características de los transductores acústicosSensibilidadSe define la sensibilidad del transductor como el valor de la salida eléctrica por unidad de la magnitud mecánica de excitación (en general presión del aire). Normalmente se utilizan las unidades de mV/pascal, siendo 1 pascal una presión correspondiente a 94 dB, relativos a la presión acústica normalizarla. Otra forma acostumbrada de expresar la sensibilidad es en dB respecto de 1 V/pascal. En general, para un tipo de micrófono dado, la sensibilidad es proporcional a la superficie de diafragma sensor. Como se verá más adelante, este factor juega un papel muy importante en la elección de uno u otro tipo para cada aplicación especifica.

Respuesta en frecuenciaLa curva de respuesta del elemento nos muestra el comportamiento del transductor para las diferentes frecuencias de utilización.Cuando la respuesta del elemento transductor se mide mediante un campo de presión uniforme, por ejemplo actuando sobre la membrana en una pequeña cavidad cerrada, se denomina a aquella «respuesta en presión» del micrófono. Si se realiza la medición de la respuesta en frecuencia de un micrófono en un campo libre, cuando la longitud de onda de las señales incidentes sobre el diafragma del micrófono sean del mismo orden que las dimensiones físicas del transductor, aparecen los fenómenos de formación de ondas

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estacionarias, con lo que el nivel sonoro en el diafragma aumenta ostensiblemente, dando lugar a incrementos del orden de 10 a 15 d B.En un micrófono cilíndrico con su membrana en una de las bases, estos fenómenos tienen lugar para longitudes de onda algo menores que el diámetro.Este hecho confiere características muy interesantes a los micrófonos de pequeñas dimensiones respecto a sus homólogos de mayor tamaño (curva de respuesta más amplia). La figura 3 nos muestra las curvas de respuesta de varios micrófonos de presión del tipo de condensador. En la referencia [1] pueden encontrarse amplios detalles acerca de estos conceptos.

DirectividadLa representación del nivel de percepción de un transductor en función del ángulo de incidencia de la señal sonara para cada frecuencia proporciona las características de directividad del elemento.En general, los fenómenos de difracción dependen del ángulo de incidencia de la onda sonora, por lo que normalmente no cabe esperar buena respuesta de directividad (omnidireccionalidad) a las frecuencias para las que se producen estos fenómenos. En baja frecuencia los micrófonos tienen tendencia a ser omnidireccionales (suponiendo que no se pretendan otras características explícitamente).Lógicamente los captadores acústicos de menor tamaño tienen un comportamiento más puntual y, por consiguiente, menos direccional. En aquellos casos en que interese respuestas direccionales (caso poco frecuente en instrumentación de medida acústica), pueden obtenerse estos resultados mediante desfasadores acústicos colocados convenientemente [2]. La figura 4 contiene respuestas de directividad de micrófonos del tipo condensador tanto en el caso de medidas realizadas con tonos puros como para el de señales moduladas en frecuencia.

Otros factores físicosLa baja distorsión en el captador de señal, al que se puede considerar incluido en el preamplificador, así como la elevada relación señal/ruido, la inmunidad del transductor a vibraciones exteriores y la estabilidad de la sensibilidad del transductor a lo largo del tiempo, pese a cambios térmicos y de humedad, son datos muy importantes y determinantes, junto a los de los epígrafes anteriores, de la calidad de los micrófonos.

Fig. 3. Respuestas en frecuencia típicas de varios micrófonos de presión.

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Fig. 4. Diafragmas de directividad de un micrófono (tonos puros F, + 25 Hz y 50 Hz. Tonos puros modulados en frecuencia).

CalibracionesCon objeto de garantizar la eficiencia de un micrófono es muy conveniente disponer de los datos de calibración pertinentes. Existen dos formas generales de llevar a cabo esta operación: a) Métodos de campo y b) Métodos de laboratorio.Los métodos de campo son:

1) Utilización de fuentes sonoras precalibradas. El micrófono se coloca en una cavidad reducida donde se genera la señal de presión conocida. A estos útiles de calibración se les suele denominar Pistófonos o Calibradores.

2) Uso de tensiones eléctricas de referencia. Un oscilador local, generalmente ubicado en el equipo de medida o registro, genera un nivel de tensión preestablecido; esta señal aplicada a la entrada del equipo representa un nivel equivalente sonoro, que también es conocido a prioridad.

Los métodos de laboratorio son:3) Calibración por reciprocidad. Este método, tal como su nombre indica, está basado en el

principio de reciprocidad. Para llevar a cabo el procedimiento deben disponerse dos micrófonos. Un micrófono se utiliza tanto como emisor como receptor, y el otro actúa sólo como receptor. De los valores de tensiones e intensidades puestos en juego se obtienen las sensibilidades de los dos elementos. Este procedimiento se suele llevar a cabo en una cavidad cerrada y de volumen reducido, si bien es factible su uso en un campo libre. Los transductores de condensador y piezoeléctricos son muy lineales; además son reversibles y admiten la utilización del principio de reciprocidad. Este método de calibración es absoluto, no comparativo.

4) Calibración por actuadores electroestáticos (sólo para micrófonos del tipo condensador). El diafragma del micrófono puede hacerse influir por fuerzas de carácter electrostático del mismo modo que si estuviera sometido a la acción de ondas de presión. Esta acción puede realizarse colocando frente al diafragma, y próximo a él, una rejilla metálica rígida y aplicando entre ésta y aquel una tensión alterna.

Datos debidos al campo sonoro y adaptación de los micrófonos a ésteCampos sonorosSe denomina campo libre a aquel en que las reflexiones debidas a los objetos situados en él, o son muy débiles o no tienen lugar. Las condiciones de campo libre se obtienen, obviamente, en espacios abiertos amplios o en recintos cerrados provistos de materiales sonoros fuertemente absorbentes, con objeto de empobrecer las reflexiones de los límites de la sala. Este tipo de sala se denomina anecoica.Cuando el transductor receptor acústico se halla en un campo tal que existe un acoplamiento fuerte con la fuente sonora, por ejemplo, una cavidad reducida, se dice que el micrófono está situado en un campo de presión.

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La utilización de micrófonos en campos de presión es muy usual en los oídos artificiales para la calibración de audífonos y audiómetros, así como para medidas en el campo próximo de fuentes sonoras.Si el campo sonoro es tal que la distribución energética es uniforme debido a las reflexiones establecidas en el local, se dice que estamos en un campo reverberante o difuso.Las salas reverberantes formadas por paredes duras, no paralelas, utilizan aspas giratorias y/o difusores para conseguir esta distribución energética. Las salas anecoicas suelen utilizarse para la medida de características de transductores electroacústicos, de ruido de productos fabricados, y en general para aquellos usos en que se requiera un ambiente desprovisto de reflexiones. Las cámaras reverberantes se suelen utilizar en las medidas de potencia acústica radiada (rendimiento de altiveces, ruido de máquinas, etc.). Es muy útil la medición en campo difuso en aplicaciones tales como medida de ruido en instalaciones de grifería y de aire acondicionado, entre otras.

Micrófonos de presión y de campo libreCuando un micrófono está especialmente diseñado para trabajar en un campo de presión, no se presentan en su utilización los problemas de difracción en las inmediaciones del diafragma de éste. Sin embargo, cuando se lleva a este transductor a un campo libre, la perturbación del micrófono presenta al campo da a lugar a niveles excesivos inaceptables. Por esto en tales condiciones deben aplicarse correcciones a las medidas. En la figura 5 se pueden ver estas curvas de corrección para un micrófono de una pulgada: nótese además la influencia del ángulo de incidencia sobre los factores de corrección. El micrófono de campo libre soluciona este inconveniente a base de sobreamortiguar mecano-acústicamente el diafragma. En estas condiciones puede obtenerse una curva de respuesta, en un campo libre de ondas, muy uniforme.Los micrófonos de campo libre están, pues, autocorregidos y captan el nivel de presión sonora que había en el medio antes de introducir el elemento sensor. Si se van a realizar medidas en un campo libre y la dirección de propagación de la onda sonora no es única, debe tomarse la precaución de dotar al micrófono de un corrector de incidencia, de modo que por medio de este dispositivo consigamos mejorar la respuesta directiva del micrófono cuando la incidencia sonora es aleatoria. En la figura 6 podemos ver la curva de respuesta de un micrófono de condensador de una pulgada cuando va provisto de un corrector de incidencia. La curva superior representa el caso más favorable, incidencia frontal (eje del micrófono y dirección de propagación paralelos). La curva inferior representa las condiciones de error más desfavorables, incidencia rasante (eje del micrófono y dirección de propagación en cuadratura). La curva intermedia representa el caso más general, es decir, el de incidencia aleatoria.Si la medida se hiciera en un campo libre pero con un micrófono de presión, la forma en que éste perturbaría en menor grado el campo sonoro seria en incidencia rasante y la utilización del corrector de incidencia no seria precisa en estas condiciones.

Fig. 5. Curvas de correlación de campo libre para micrófonos de condensador de 1’’.

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Fig. 6. Límites de sensibilidad de un micrófono de campo libre con corrector de incidencia.

La tabla 1 resume varias posibilidades prácticas de medida.

Tabla 1.

Efecto del viento, humedad, lluvia, etc.Cuando se requieren medidas acústicas durante largos períodos de tiempo y en espacios exteriores, por ejemplo para el control de ruido en aeropuertos, las condiciones climatológicas pueden influir enormemente si no se prevé convenientemente.El viento al chocar contra el micrófono provoca turbulencias en el entorno del diafragma, turbulencias que generan ruido acústico que será captado por el micrófono. Este inconveniente se puede subsanar con la ayuda de pantallas antiviento. Estas suelen ser de forma esférica, constituidas por materiales transparentes al sonido (nailon o poliuretano poroso) y dotadas de un canal para el paso del micrófono.

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Una vez instalada la pantalla antiviento, el aire incidirá sobre ella evitando la turbulencia en la cara del transductor. La figura 7 representa el ruido debido a este fenómeno sobre un micrófono de una pulgada para distintas velocidades de viento incidente.

Fig. 7. Ruido debido al viento en un micrófono de 1’’ equipado con pantalla antiviento, para incidencia a 90°.

En algunos micrófonos la humedad y la lluvia pueden tener un efecto totalmente destructivos de la medida o ensayo a menos que se solucionen estos problemas en la instalación del captador. La humedad no es en sí misma muy desfavorable sino que lo es más bien la condensación. En este sentido se han diseñado métodos para deshumidificar el micrófono insitu, así corno cubiertas protectoras para lluvia. Los micrófonos de condensador pueden disponerse de modo que queden insensibles a la influencia de estos agentes en instalaciones exteriores.Cuando la situación climatológica es especialmente inconveniente (lluvia continua, nieve, bajas temperaturas, etc.), puede ser de gran utilidad el uso de un hidrófono (micrófono subacuático, normalmente tipo piezoeléctrico) como captador. En estos casos es muy conveniente realizar previamente una calibración en un campo acústico conocido.

Micrófonos de condensadorEl micrófono de condensador está formado por una placa delgada o membrana llamada diafragma, tal que es susceptible de moverse por acción de las variaciones de presión sonora; y por otra placa posterior fija y paralela al diafragma. Los movimientos de éste respecto de la placa posterior determinan variaciones de la capacidad eléctrica del condensador así formado. Las dos armaduras del condensador están eléctricamente aisladas. El aire confinado en la parte posterior del diafragma, formando el dieléctrico, está al nivel de presión atmosférica por medio de un tubo capilar ecualizador de presiones.Con objeto de disponer de una carga eléctrica en el condensador, se realiza la polarización del mismo a un nivel fijo de corriente continua y a través de un circuito con alta constante de tiempo

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(comparado con el período de las variaciones de presión). Al producirse variaciones de presión se provocan variaciones de capacidad eléctrica y estas últimas se traducen en variaciones de tensión. De este modo se pueden obtener fluctuaciones de tensión en una amplia gama de niveles y de frecuencias.La figura 8 muestra la constitución esquemática de un micrófono de condensador. Dado que la capacidad de salida del elemento es muy baja (por ejemplo, 18 pF en un micrófono de media pulgada), no es viable la utilización de cables largos hasta el equipo de medida. Para ello se dispone de preamplificadores situados muy próximos al micrófono de modo que no supongan (debido a su alta impedancia de entrada) ninguna carga real para el transductor.

Fig. 8. esquema básico de un micrófono de condensador.

El ruido electrónico que se produzca en el preamplificador va a condicionar el nivel umbral a medir (relación señal/ruido). La baja impedancia de salida de los preamplificadores permitirá cables largos entre el micrófono y el equipo de medida. En la figura 9 se indican los elementos constituyentes de un conjunto micrófono de condensador-preamplificador.

Fig. 9. Circuito equivalente de un micrófono de condensador y su preamplificador.En el circuito equivalente reducido, puede verse que, para frecuencias altas la sensibilidad vale:

Siendo E0 la tensión de polarización y C la capacidad equivalente del conjunto.En bajas frecuencias la sensibilidad toma la forma:

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Siendo R la resistencia equivalente del conjunto. En esta expresión S es función de la frecuencia.La frecuencia de corte viene dada por:

Los preamplificadores equipados con transistores de efecto de campo fácilmente alcanzan frecuencias típicas de corte del orden de 2 Hz.Como ventajas características de este tipo de micrófonos se pueden citar: a) Respuesta en frecuencia muy uniforme, b) sensibilidad acústica muy adecuada, c) bajo nivel de ruido y d) bajo nivel de sensibilidad frente a vibraciones globales de la cápsula.Las desventajas más importantes son su susceptibilidad para la humedad y la pequeña capacidad de salida del elemento sensor.

Micrófonos electretEl micrófono electret pertenece a la familia de los micrófonos de condensador. Su desarrollo es muy reciente, las primeras investigaciones arrancan de 1963 y fueron realizadas por Sessler y West.Ciertos compuestos dieléctricos de gran permitividad si se les somete a la acción de un campo eléctrico tienen la propiedad de generar en su proximidad un campo eléctrico después de la supresión del campo exterior; se dice entonces que estos cuerpos se han convertido en «electrets».El proceso de formación de «películas de electret» es aproximadamente el siguiente: una hoja de 4 a 12 micrones de espesor y de material apropiado se coloca entre dos electrodos planos y paralelos separados unos dos milímetros y en el interior de un horno donde la temperatura sea del orden de 130 a 150°C para un poliester, o 230°C para fluoruro de carbonato a la vez que se aplica entre los electrodos una tensión del orden de los 4000 voltios. Manteniendo el campo eléctrico se baja lentamente la temperatura del horno; de este modo la hoja se convierte en electret.Puesto que la película de electret que formará el dieléctrico del condensador se halla polarizada, no precisa para este propósito la tensión exterior que utilizaba el micrófono de condensador. Se dice, pues, que los micrófonos electret están autopolarizados; por otra parte su capacidad eléctrica es mayor que la correspondiente a los micrófonos de condensador.La construcción de un micrófono electret es muy sencilla; la podemos ver en la figura 10.

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Fig. 10. Micrófono electret.

Una cara de la hoja electret se metaliza (membrana del micrófono) y el dieléctrico se apoya por su lado no metalizado sobre una placa perforada (que será la placa posterior del condensador). La perforación en la placa posterior permite el movimiento del diafragma. Esta perforación es clave en cuanto a la respuesta en frecuencia del micrófono.El sonido incidente en el micrófono pone al diafragma en movimiento; la variación de la posición de éste respecto de la armadura posterior da lugar a modificaciones de la distribución de cargas en el electret, y de este modo se obtiene una tensión de salida.Las variaciones de temperatura afectan, en general, al comportamiento del electret, de modo que si su proceso de fabricación no fuese cuidadoso se podrían presentar pérdidas importantes de sensibilidad a lo largo de la vida del elemento. Debido a la utilización de aire como dieléctrico en los micrófonos de condensador del apartado anterior, su coeficiente de variación de sensibilidad respecto de la temperatura es menor que el correspondiente de los micrófonos electret; este hecho se debe, lógicamente, a las variaciones de la constante dieléctrica con la temperatura.Una propiedad destacada de este tipo de micrófonos es su baja sensibilidad a las vibraciones globales aplicadas sobre él. Consideremos por ejemplo, los micrófonos de los audífonos. Cuando la persona que utiliza estos dispositivos anda aligeradamente o corre por ejemplo, fácilmente, puede provocar, a la frecuencia de resonancia del sistema cabeza-cuello (unos 2O Hz), un nivel de vibración de hasta 1g, y esta aceleración puede dar lugar a señales de salida mayores de 95 dB de presión sonora en algunos micrófonos (sobre todo dinámicos y piezoeléctricos). En algunos tipos de electret 1g de vibración de salidas menores de 70 dB. El micrófono electret debe estar provisto de un preamplificador que, análogamente al tipo de condensador, presente una elevada impedancia de entrada. De este modo el comportamiento del micrófono queda condicionado al preamplificador utilizado, que normalmente va encapsulado junto a la parte sensora formando una unidad.El preamplificador, normalmente constituido por un transistor de efecto de campo u otro dispositivo de estado sólido, debe ser un elemento de ganancia G y resistencia de entrada infinita así como de capacidad de entrada nula. La figura 11 nos indica el circuito equivalente del conjunto sensor-preamplificador; en ella podemos observar el efecto de carga que la entrada del preamplificador tiene sobre el electret.

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Fig. 11. Circuito equivalente de un micrófono electret (Ce= capacidad del electret. Ren= resistencia de entrada del preamplificador. Cen= capacidad de entrada del preamplificador. G= ganancia del preamplificador).

La frecuencia de corte inferior viene condicionada por los valores de la resistencia de entrada junto con la combinación en paralelo de las capacidades, análogamente a lo que ocurría con los micrófonos del epígrafe «Micrófonos de condensador», por debajo de esta frecuencia la sensibilidad acústica del micrófono caerá 6 dB por octava.

Micrófonos piezoeléctricosEste tipo de micrófonos utilizan la fuerza producida por la presión de aire para deformar un material piezoeléctrico, que a su vez genera carga eléctrica. Los materiales utilizados pueden ser tanto cristales naturales (cuarzo, turmalina, etc.) como los creados añadiendo impurezas a una estructura cristalina natural (titanatos de bario y titano-zirconatos de plomo).En la figura 12 se indica la constitución de un micrófono de este tipo. El diafragma se utiliza como colector de fuerza para aplicarla sobre el cristal (en la figura el esfuerzo aplicado es de flexión). Los tipos de esfuerzos que se suelen emplear son los de compresión y cortadura, pero para micrófonos lo más usual es la flexión.

Fig. 12. Micrófono piezoeléctrico.

La utilización de cristales trabajando en modo de flexión da origen a dos tipos normales de montaje: cristal «simplemente apoyado» y cristal «en voladizo». En general el sistema apoyado

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presenta mejores características: menor flexibilidad del elemento, menor desplazamiento angular y por consiguiente menor riesgo de transmitir estas deformaciones al diafragma. Esta transmisión sería muy crítica desde el punto de vista de amortiguar la frecuencia de resonancia del sistema.No obstante, la sensibilidad de las dos configuraciones sería equivalente (nótese que se están comparando barras de cristal de longitudes en relación 2/1). El factor más favorable para la colocación de la barra en voladizo es la masa equivalente que resulta ser el 25% del correspondiente al tipo simplemente apoyado. Este hecho es particularmente interesante para obtener una buena respuesta en frecuencia del transductor, bien entendido que habrá que amortiguar la frecuencia de resonancia. Como ventajas de utilización de este tipo de micrófono se puede citar su elevada capacidad, robustez mecánica y ausencia de fuentes de polarización. Como inconvenientes principales: su baja sensibilidad acústica y su alta sensibilidad a las vibraciones. En la figura 13 se presenta el circuito correspondiente. La tensión creada por el transductor es:

de modo que la capacidad del cable afecta a la salida eléctrica disponible, pero en mucho menor grado que en los anteriores sensores porque C, es mucho mayor en estos elementos (puede ser del orden de 1000 pF). La disponibilidad de cable largo hasta el equipo de medida o registro, hace muy útil, en ciertas aplicaciones, al micrófono piezoeléctrico. No obstante, si se trata de cables muy largos habrá que tener en cuenta el ruido que este cable puede introducir en la cadena de medida.

Fig. 13. Circuito equivalente de un micrófono piezoeléctrico (Cc= capacidad del cristal, Rc= resistencia de fugas del cristal, C= capacidad del cable, R= resistencia de entrada del preamplificador, Q= carga generada en el cristal).

Micrófonos dinámicosA esta clase de micrófonos se les denomina también de bobina móvil. Utiliza la velocidad comunicada al diafragma por la presión sonora para inducir una fuerza electromotriz en la bobina móvil que se halla en el interior de un campo magnético. Su constitución es pues muy semejante a la de un altavoz electrodinámico, y sus particularidades, habida cuenta del carácter reversible y de la diferencia de tamaño, son totalmente semejantes.La baja impedancia de estos micrófonos permite la utilización de cables largos y su ruido interno es muy bajo. Por otra parte adolece de los siguientes inconvenientes: es sensible a los campos magnéticos exteriores, es así mismo sensible a las vibraciones debido a la masa de la membrana y bobina móvil y su respuesta en frecuencia no es tan plana como la de otros transductores.

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La resonancia mecánica de este tipo de micrófono se presenta en la zona de frecuencias medias donde actúa como un componente mecánico resistivo puro. Como se sabe por el estudio del movimiento vibratorio armónico, para una determinada velocidad, a medida que disminuye la frecuencia aumenta el desplazamiento. Esto es una limitación importante, ya que no se puede permitir gran desplazamiento para la reproducción de señales de baja frecuencia.Se enmienda la situación de su respuesta en frecuencia limitada, a base de establecer dos resonadores típicos. En baja frecuencia se utiliza el acoplamiento de la masa de aire en el tubo ecualizador de presión, con la elasticidad existente en cavidades de aire diseñadas al respecto. En alta frecuencia se utilizan resonadores acústicos a base de emplear la masa de aire contenida en pequeños alvéolos de modo que acople con el aire confinado detrás del diafragma del micrófono. De este modo se produce una apertura de la banda pasante del micrófono dinámico. En la figura 14 se indica una forma de micrófono de este tipo.

Fig. 14. Micrófono dinámico.

Elementos básicos constituyentes de una cadena de medidaConstitución de un sonómetroEl conjunto de elementos constituyentes de un equipo de medida de sonido es el que indica la figura 15. El micrófono capta la señal y transforma su naturaleza en eléctrica. El primer amplificador eleva el nivel de la entrada con objeto de disponer de un nivel eléctrico utilizable y compatible con otros aparatos exteriores y adapta la impedancia a un valor menor. Si el estudio sonoro que se va a efectuar no incluye análisis en frecuencia, se ponderará la salida del primer amplificador de acuerdo con las especificaciones correspondientes a la norma o procedimiento de ensayo. Si la norma especifica la obtención de análisis en frecuencia, se lleva la salida eléctrica correspondiente a los filtros exteriores. La señal de retorno vuelve a amplificase y pasa a un detector de verdadero valor eficaz. Si la norma establece medidas de valor de pico se dispondrá de un sonómetro equipado con un rectificador apropiado.En algunas medidas se hace preciso el uso de un circuito de retención de aguja con objeto de poder efectuar una lectura cuando el medidor tiene una respuesta rápida (impulsos por ejemplo). Finalmente la señal ataca la bobina de un medidor voltimétrico.

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Fig. 15. Elementos constituyentes de un sonómetro.

Es muy útil disponer de salidas de señales de corriente continua y/o alterna para utilizar registradores, osciloscopios, etc.

Instrumentación modernaActualmente se puede disponer de equipos de campo y laboratorio, tales que permiten obtener análisis y registros de gran precisión y refinamiento.Los analizadores en tiempo real suministran espectros de las señales tratadas de modo que permiten realizar un análisis rápido de cualquier señal (continua, impulsiva, etc.).En acústica se suele utilizar el análisis por bandas de octava o de tercio de octava.La utilización de ordenadores conectados en línea con este tipo de instrumentación permite cálculos en tiempo real de laboriosos trabajos, no abordados hasta la fecha; tal es el caso del cálculo del «Ruido Percibido» (PN dB) muy utilizado en aeropuertos para vigilancia del nivel de ruido y evacuación de molestias en zonas próximas.Los registradores de cinta magnética posibilitan la grabación de señales de audiofrecuencia en campo para procesamiento y estudio posterior de laboratorio. Las fuentes de ruido precalibradas sirven para cálculos de potencia sonora radiada, por maquinaria, altavoces, y en general de toda clase de fuentes sonoras.

Sondas ultrasónicasLos transductores de ultrasonidos miden el caudal por diferencia de velocidades del sonido al propagarse éste en el sentido del flujo del fluido y en el sentido contrario. Los sensores están situados en una tubería de la que se conocen el área y el perfil de velocidades. Los principios de funcionamiento de estos instrumentos son variados. En uno de los modelos más sencillos (figura 16a) la velocidad del fluido está determinada por la siguiente fórmula:

en la queV= velocidad del fluidoC= velocidad del sonido en el fluidoα= ángulo de haz del sonido con relación al eje longitudinal de la tuberíaD= diámetro interior de la tuberíaΔt= diferencia entre los tiempos de tránsito del sonido aguas arriba y aguas abajo del fluido.

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Fig. 16. Medición de caudal por ultrasonidos a) diferencia de tiempo, de fase o de frecuencia, b) desviación del haz, c) método Doppler.

Fig. 17. Diagrama de bloques en un transductor ultrasónico.

En otras técnicas de medición que pueden verse en las figuras 16a se mide la diferencia de fases o la diferencia de frecuencias entre las ondas del sonido que recorren el fluido en ambos sentidos. Existen otros métodos que se basan en los siguientes principios:

Desviación de haz de sonido emitido por un transmisor perpendicularmente a la tubería (figura 16b).

Método Doppler (figura 16c). Se proyectan ondas sónicas a lo largo del fluido y se mide la variación de frecuencia que experimenta la señal de retorno al reflejarse el sonido en partículas contenidas en el fluido. El método viene limitado por la necesidad de presencia de partículas, pero permite medir algunos caudales de fluidos difíciles tales como mezclas gas-líquido, fangos, etc.

En todos estos sistemas, se utilizan transductores piezoeléctricos tanto para la emisión como para la recepción de las ondas ultrasónicas.Los transductores sónicos tienen una precisión de ± 2 % y un intervalo de medida de caudales de 20 a 1 con una escala lineal. Son adecuados en la medida de la mayor parte de líquidos, en particular de los líquidos con sólidos en suspensión con la salvedad de que las partículas o las burbujas de aire que pueda contener el liquido no deben comí ararse en tamaño con la longitud de la onda acústica.

Sistema ultrasónico de medición de nivelSe basa en la emisión de un impulso ultrasónico a una superficie reflectante y la recepción del eco del mismo en un receptor (figura 18). El retardo en la captación del eco depende del nivel del tanque.

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Fig. 18. Transductor ultrasónico de nivel. a) alarma, b) indicación continua.

Los sensores trabajan a una frecuencia de unos 20 KHz. Estas ondas atraviesan con cierto amortiguamiento o reflexión el medio ambiente de gases o vapores y se reflejan en la superficie del sólido o del líquido.En la figura 18 pueden verse varias disposiciones de montaje de los detectores que se utilizan en los casos de alarmas o de indicación continua del nivel.En las aplicaciones de alarma de nivel los sensores vibran a una frecuencia de resonancia determinada, que se amortigua cuando el líquido los moja.En el segundo caso, la fuente ultrasónica genera impulsos que son detectados por el receptor una vez ha transcurrido el tiempo correspondiente de ida y vuelta de la onda a la superficie del sólido o del líquido.En la figura 19 pueden verse el diagrama de bloques de un sistema de medida de ultrasonidos. El sensor emisor dispone de un oscilador excitador para enviar un impulso ultrasónico a la superficie del fluido y el sensor receptor recibe esta señal reflejada enviando una señal función del tiempo transcurrido, y por lo tanto del nivel, a un oscilógrafo o a un indicador.La precisión de estos instrumentos es del ± 1%. Son adecuados para todos los tipos de tanques y de líquidos o fangos. Presentan el inconveniente de ser sensibles a la densidad de los fluidos.

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Fig. 19. Diagrama en bloques de un transductor ultrasónico de nivel.

Medidor magnéticoLa ley de Faraday establece que, la tensión inducida a través de cualquier fluido conductor, al moverse éste perpendicularmente a través de un campo magnético, es proporcional a la velocidad del conductor.La fórmula del caudal que da la ley de Faraday es la siguiente:

Es= tensión generada en el conductorK= constanteB= densidad del campo magnéticol= longitud del conductorv= velocidad del movimientoEn el medidor magnético de caudal (figura 20) el conductor es el líquido y Es es la señal generada; esta señal es captada por dos electrodos rasantes con la superficie interior del tubo y diametralmente opuestos. Realmente la única zona del liquido en movimiento que contribuye a la f.e.m. es la que une en línea recta a los dos electrodos, B es la densidad del campo magnético creado por medio de la bobina de campo, l es el diámetro de la tubería y v es la velocidad del fluido a su paso a través del medidor.Como

resulta

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Las fórmulas anteriores indican que la señal Es depende, no sólo de la velocidad del fluido sino también de la densidad del campo magnético B, la cual a su vez está influída por la tensión de la línea y por la temperatura del fluido. Es claro que, para obtener una señal que depende únicamente de la velocidad, debe eliminarse la influencia de estos tres factores y, por otro lado es muy difícil mantenerlos en valores constantes (la temperatura y la conductividad del fluido vienen dadas por las condiciones particulares de servicio). De aquí que la señal de tensión del medidor se compara en el receptor con la tensión de referencia Er. Como las dos señales derivan a la vez del campo magnético B, la tensión de la línea y las variaciones de temperatura y de conductividad no influyen en la precisión de la medida.

Fig. 20. Medidor magnético de caudal.

La señal de referencia Er se toma de un arrollamiento colocado en los bobinados del campo que generan el flujo magnético. En la figura 21 puede verse un esquema de conexiones del elemento de medida.

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Fig. 21. Elemento magnético de medida.

El valor de Er se escoge de tal forma que la relación Es/Er se hace constante en todos los medidores de caudal. De este modo se logra su intercambiabilidad con cualquier receptor.La conductividad del fluido es la única característica propia del liquido que puede limitar el empleo del medidor magnético de caudal. El sistema electrónico utilizado en el elemento y en el receptor permite medir caudales de líquidos que tengan una conductividad superior a 5 micromhos/cm. No obstante, en casos especiales puede trabajarse con valores menores, añadiendo al circuito de medida un preamplificador adicional (acondicionador de señal), alcanzándose una conductividad mínima de 0,3 micromhos/cm.La medida no es afectada por las variaciones de conductividad, sin embargo, la necesidad de obtener la precisión adecuada en la medida, limita la longitud del cable entre el elemento y el receptor.La conductividad eléctrica en los gases es generalmente mucho más baja. Por este motivo, el medidor magnético no puede emplearse para la medida de caudales de gases.Los tamaños de los tubos de medida varían desde 0,1" hasta 72". En la tabla 2 pueden verse datos sobre capacidades de los medidores magnéticos de caudal.

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Tabla 2. Capacidades de los medidores magnéticos de caudal.

Los electrodos son de acero inoxidable 316 o bien de platino, de hastelloy C, de tantalio y de otros materiales. La selección de estos materiales se basa en su resistencia a la corrosión en el caso de aplicaciones químicas o en su resistencia a la abrasión para este tipo de aplicaciones.

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Los hilos de señal y de referencia terminan en la cabeza terminal dispuesta en la parte superior del elemento de medida. Todos los hilos que conectan el elemento con le receptor están dispuestos en un cable único.La señal de c.a. captada por el medidor está acoplada a un convertidor de impedancias. La señal de tensión es amplificada y pasa a un transformador sumador. La tensión de referencia generada también en el medidor es desfasada para acoplarse a la señal de tensión y conectarse a un multiplicador.Los receptores empleados son del tipo de puente de impedancias y aseguran una gran sencillez, una alta velocidad de respuesta y una alta precisión en la medición. En la figura 22 se describen los componentes principales del transductor.La señal resultante se introduce en el transformador sumador y se compara con la señal de tensión. Cualquier diferencia entre la señal y tensión y la de referencia es convertida en señal de c.c., amplificada y utilizada en la excitación del multiplicador. Esta acción elimina completamente cualesquiera componentes de cuadratura que puedan estar presentes en la señal de caudal.La señal de excitación del multiplicador que representa ahora exactamente la relación entre las señales de tensión y de referencia manda directamente la etapa de salida y la señal de salida obtenida es directamente proporcional al caudal.Los elementos de caudal se calibran en fábrica utilizando un sistema dinámico de pesadas y consiguiéndose así una precisión elevada de ± 0,1%.Con el sistema completo, incluyendo el receptor, se obtiene una precisión de ± 1% de toda la escala pudiéndose llegar a una menor precisión del orden ± 0,5% con una calibración especial y siempre que la conductividad sea elevada. El intervalo de medida entre el caudal máximo y el mínimo conservando la misma precisión es de 10:1 con una escala de lectura lineal. La fidelidad del conjunto es de ± 0,25%.La sensibilidad es de ± 0,1% y la linealidad de ± 0,5%.Los medidores magnéticos del caudal son adecuados para la medida de caudales de líquidos conductores en particular los líquidos fangosos y fluidos corrosivos. Su pérdida de carga es baja y corresponde a la de una tubería del mismo diámetro y de la misma longitud. Pueden medir caudales en ambos sentidos del fluido en la tubería.

Fig. 22. Transductor de puente de impedancias (Brooks).

Los transductores magnéticos de presiónSe clasifican en dos grupos según el principio de funcionamiento.a) Transductores de inductancia variable (figura 23) en los que el desplazamiento de un núcleo móvil dentro de una bobina aumenta la inductancia de ésta en forma casi proporcional a la porción metálica del núcleo contenida dentro de la bobina.El devanado de la bobina se alimenta con una corriente alterna y la f.e.m. de autoinducción generada se opone a la f.e.m. de alimentación, de tal modo que al ir penetrando el núcleo móvil

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dentro de la bobina la corriente presente en el circuito se va reduciendo por aumentar la f.e.m. de autoinducción.

Fig. 23. Transductor de inductancia variable.

El transformados diferencial es también un transductor de inductancia variable, si bien , en lugar de considerar una sola bobina con un núcleo móvil, se trata de tres bobinas en las que la bobina central o primaria es alimentada con una corriente alterna y el flujo magnético generado induce tensiones en las otras dos bobinas, con la particularidad de que si el núcleo está en el centro, las dos tensiones son iguales y opuestas y si se desplaza a la derecha o a la izquierda las tensiones son distintas. Es decir que el transformador diferencial es más bien un aparato de relación de inductancias.Los transductores de inductancia variable tienen las siguientes ventajas: no producen rozamiento en la medición, tienen una respuesta lineal, son pequeños y de construcción robusta y no precisan ajustes críticos en el montaje. Su precisión es del orden de ± 1%.b) Los transductores de reluctancia variable (figura 24) consisten en un imán permanente o un electroimán que crea un campo magnético dentro del cual se mueve una armadura de material magnético.

Fig. 24. Transductor de reluctancia variable.

El circuito magnético se alimenta con una fuerza magnetomotriz constante con lo cual al cambiar la posición de la armadura varía la reluctancia y por lo tanto el flujo magnético. Esta variación del flujo

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da lugar a una corriente inducida en la bobina que es por tanto proporcional al grado de desplazamiento de la armadura móvil.El movimiento de la armadura es pequeño (del orden de un grado como máximo en armaduras giratorias) sin contacto alguno con las partes fijas, por lo cual no existen rozamientos eliminándose la histéresis mecánica típica de otros instrumentos. Los transductores de reluctancia variable presentan una alta sensibilidad a las vibraciones, una estabilidad media en el tiempo y son sensibles a la temperatura. Su precisión es del orden de ± 0,5%.Ambos tipos de transductores posicionan el núcleo o la armadura móviles con un elemento de presión (tubo Bourdon, espiral, etc.) y utilizan circuitos eléctricos bobinados de puente de inductancias de corriente alterna.

Medidor de nivel de flotador magnéticoConsiste en un flotador que desliza a lo largo de un tubo guía colocado verticalmente en el interior del tanque (figura 25). El flotador contiene un imán y en su movimiento arrastra magnéticamente otro más pequeño situado dentro del tubo guía. Este segundo imán está unido a un cable el cual mueve un índice en una escala exterior o bien actúa al mismo tiempo sobre un transductor eléctrico.

Fig. 25. Detector de nivel de flotador magnético.

El flotador puede tener formas muy variadas y puede estar formado por materiales muy diversos según sea el tipo de fluido. El transductor eléctrico de tipo potenciométrico convierte el movimiento angular de la polea de apoyo del cable de arrastre del flotador en una señal eléctrica.El instrumento tiene una precisión del ± 0,5 %. Es adecuado en la medida de niveles en tanques abiertos y cortados a presión o al vacío, es muy preciso en tanques profundos y es independiente del peso específico del líquido. Por otro lado el flotador puede agarrotarse en el tubo guía por un eventual depósito de los sólidos o cristales que el liquido pueda contener y además los tubos guía muy largos pueden dañarse ante olas bruscas en la superficie del líquido.

Efecto HallEn una plaquita perfectamente homogénea de material conductor o semiconductor de espesor e, situada en un campo magnético B, y atravesada por una corriente eléctrica i según la disposición de la figura 26, aparece entre sus lados c y d una diferencia de potencial

,provocada por los desplazamientos de los portadores de carga eléctrica (figura 26).

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La constante de Hall (Rh), es mucho mayor en los materiales semiconductores que en los conductores, por lo que aquellos son los que se emplean en la práctica para las aplicaciones técnicas de esta característica.Pueden construirse sondas que permiten conocer la inducción B de un campo magnético, conociendo el espesor de la placa y la intensidad que circula. La tensión de medida Ucd es tanto mayor cuanto menor es el valor e, por lo que se construyen sondas de pequeño espesor, siendo éste limitado únicamente por razones de resistencia mecánica. En la práctica la magnitud e es de 0,1 mm de semiconductor y éste se coloca sobre un soporte cerámico, protegido por una cubierta metálica.La corriente de referencia i tiene también un limite práctico debido al calentamiento de la plaquita.Como orientación podemos decir que, con una intensidad i de 100 mA y un campo de 1 tesla, se obtiene una tensión Ucd de aproximadamente 60 mV.Las ventajas de la sonda Hall consisten en sus reducidas dimensiones, buena sensibilidad, aceptable linealidad, indicación permanente, fácil manejo y buena precisión (2,5 ",,).Los inconvenientes son su relativamente alta fragilidad y elevado coeficiente de temperatura (0,4 ... 0,1%°C).

Fig. 26.

Detectores sensibles a materiales ferromagnéticos por efecto HallSu constitución general y principio de funcionamiento es idéntico a los dos modelos anteriores, pero en él se hace uso de una célula de efecto Hall como sistema detector de las variaciones de campo magnético. Estos detectores no son nunca pasivos, precisando potencia para su funcionamiento. En mayor o menor grado, su lógica de funcionamiento responde al diagrama de bloques de la figura 27. En algunos casos el detector de efecto Hall no incorpora los imanes creadores del campo, sino que se utiliza con un actuador de magnetismo permanente. Aun bajo estas diferencias prácticas, el principio de funcionamiento es el mismo, así como su diagrama de bloques, ambos fácilmente comprensibles.

Fig. 27. Bloque detector basado en el efecto Hall.

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Características mediasSensibilidad: a) En campo magnéticoExcitación (gauss), mín. 300, máx, 700 Desexcitación (gauss), mín. 100, máx. 500b) En distancias (sin elementos exteriores de magnetismo permanente o concentradores de flujo)Excitación aproximadamente 2,5mm min. Desexcitaci6n aproximadamente 3,7 mm máx.

NOTA. Las fuertes histéresis que se presentan están producidas por los sistemas de disparo que incorporan los distintos modelos comerciales con el fin de evitar osciláciones o rebotes en las maniobras. El empleo de elementos concentradores de campo (circuitos magnéticos de baja reluctancia) pueden modificar las características de distancia e histéresis de cualquier tipo comercial, sin necesidad de modificarlo en si mismo.Velocidad: máx. 105 maniobras/s

Potencias: a) Alimentación, 5 V y 6 mA (30 mW) TTL).b) Carga, 1 0 V y 1 0 mA (1 00 mW).

Aplicaciones preferentesDebido a que este tipo de detector utiliza potencia para su funcionamiento será de interés (en sistemas lógicos complejos que no sea esencial la facilidad de aplicación de los modelos anteriores. En general son compatibles con circuiteria TTL. Este modelo es diez veces más rápido que el anterior, pudiendo explotar esta característica cuando está interconectado a sistemas de estado sólido (circuitos lógicos, triacs, SCR, etc.). Asimismo es capaz de producir detecciones estáticas, hecho que permite emplearlo como detector de posición o fin de carrera. El margen de temperaturas se halla solamente limitado por los imanes permanentes que precisa utilizar, sustituyéndose en ciertas aplicaciones los cerámicas por otros materiales de mejores características (Alnico V, por ejemplo). En la figura 28 se dan a nivel de diagramas de bloques algunas aplicaciones de tipo general.

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Fig. 28 Aplicaciones de célula Hall.

Su utilización es tan extensa que se presentan modelos comerciales (sin incorporar imanes) en formato dual-in-line. La superficie superior del CI suele constituir el área sensible del detector.Este modelo de detectores de proximidad, utilizados con actuadores de magnetismo permanente, permite la fabricación de pulsadores, botoneras, teclados, etc. exentos de contactos mecánicos y por tanto de rebotes. Debido a la importancia industrial de esta aplicación la describiremos brevemente. El conjunto general responde al croquis de la figura 29. Accionando el pulsador se modifica la posición de un actuador magnético (generalmente un imán permanente en forma de anillo) con relación a un circuito detector de efecto Hall. La tensión creada por el generador de efecto Hall es formada por un disparador de Schmitt. Esta señal puede ser amplificada hasta quedar disponible en el colector de un transistor (caso de los pulsadores o teclados latch-in o ser procesada por un simple monoestable, antes de ser amplificada (caso de pulsadores o teclados de «impulsión»).

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Fig. 29. Pulsador sin contacto de efecto Hall.

VentajasMuy robusto, pequeño y apto para el trabajo en temperaturas ambiente desde -55°C a 125 °C. Puede presentarse en formatos soldables a circuito impreso (DIL), que incorporan en un solo circuito integrado el detector de efecto Hall, disparador, amplificador y unidad de salida.La velocidad de operación alcanza las 100.000 maniobras por segundo sin contactos físicos y con vida ilimitada. No existen limitaciones en cuanto a los máximos niveles de campo magnético aplicable. En general, el usuario puede diseñar el circuito magnético para cada aplicación, y mediante concentradores y/o actuadores conseguir distintas características con un mismo modelo comercial.Es compatible directamente con circuiteria de estado sólido (TTL, triacs, SCR etc.). Sus niveles lógicos de salida eliminan en la mayoría de los casos la necesidad de utilizar amplificadores intermedios.

InconvenientesRequieren alimentación. En muchos casos, cuando se desean unas características bien definidas de detección (sensibilidad y repetibilidad), ésta debe ser estabilizada. Mayor número de interconexiones y aplicación más compleja, siendo precisos conocimientos de electrónica y/o circuitos magnéticos para obtener de ellos sus mejores prestaciones. Precio generalmente más elevado.

Transductores inductivosCon transductores inductivos pueden efectuarse una amplia gama de medidas. Aquí sólo nos referiremos a aquellos utilizados en la detección y medición de pequeños desplazamiento.Los mayores desplazamientos pueden medirse mediante un sistema formado por devanados planos de igual paso, uno fijo y otro móvil que se desplaza sobre él (Sistema inductosyn, figura 30).Si el devanado fijo, que cubre todo el campo de medida deseado, es alimentado con una tensión alterna, se inducirá sobre el devanado secundario, situado en el cabezal, una señal cuya amplitud dependerá de la fase en que se encuentren ambos devanados. La amplitud de la señal será máxima cuando ambos devanados se hallen superpuestos, y será nula cuando se hallen desplazados d= λ/4. Cuando el defase se d= λ/2 se alcanzará un valor máximo pero negativo (señal en contrafase), para volver a ser nulo en el defase d= 3/4 λ.Al desplazar el cabezal sobre el devanado fijo se obtiene una señal cuya amplitud varía según del ángulo de fase, siendo el paso λ del devanado plano utilizado, el período de la señal.

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Con este sistema de medición se emplean normalmente dos devanados planos en el cabezal móvil, desplazados una distancia d= (K – ¼) λ, para que las dos señales obtenidas S1 y S2 permitan detectar el sentido de desplazamiento, a partir del paso por 0 de una salida con respecto a la otra.

Fig. 30. Sistema inductosyn de medida de desplazamientos.

El paso utilizado suele ser de 2 mm, lo que obliga a efectuar una interpolación entre pasos por el cero consecutivos pasos para alcanzar una mayor precisión en la medida.Esta interpolación se efectúa digitalmente a partir de las señales

mediante unos convertidores (Syncro Digital Converters SDC), que constan de un contador reversible curvo clavo contenido es el ángulo θ (figura 31 ). El contador es incrementado o decrementado según θ’ sea menor o mayor que θ calculándose el error de sen (θ’ – θ).

Fig. 31. Esquema funcional de un conversor Syncro Digital.

Son usuales los SDC de 14 bits, lo que representa una interpolación dentro del intervalo λ , en 16.384 partes Si λ es 2 mm, representaría obtener una precisión mejor que 2 x 104' mm muy superior a la que permite la linealidad de la regla.

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Cuando el desplazamiento a medir es inferior a 1 cm, es frecuentemente utilizado el transformador diferencial. Su principio de funcionamiento se basa en un transformador con dos devanados primarios y un secundario. Cuando el devanado secundario ocupa la posición central, los flujos iguales y de signos opuestos generados por los devanados primarios, hacen que el flujo total inducido sea nulo.Cuando el secundario, unido mecánicamente al sensor de posición, es desviado de su posición central, el flujo inducido aumenta linealmente, obteniéndose una tensión de salida creciente cuyo signo (la fase) dependerá del sentido del desplazamiento (figura 32).

Fig. 32. Principio de funcionamiento del transformador diferencial como sensor de posición.

Existen transductores diferenciales de devanado móvil,y transformadores diferenciales de núcleo móvil. En ambos casos se alcanzan sensibilidades elevadas, del orden de las micras, y tienen la característica común de su robustez y alta estabilidad de la medida.Una variación de presión puede transformarse en una señal eléctrica por otros métodos distintos que cambiar la resistencia en un circuito.

Fig. 33. Transductor inductivo de presión.

En la Figura 33, la variación de presión actúa a través de un fuelle para desplazar un núcleo magnético en una bobina, modificando su inductancia proporcionalmente a la variación de presión. La inductancia forma parte de un puente de CA, y los cambios en la salida del puente pueden ser indicados en un instrumento u osciloscopio, o registrados con los medios convencionales.Los transductores inductivos y capacitivos son capaces de resolver la variación mecánica continua sin la carga de la fricción extra que introducen los transductores resistivos en el sistema de medida y sin la desventaja de contactos eléctricos directos.En algunos transductores inductivos la señal eléctrica varía cambiando la inductancia mutua entre dos bobinas (una bobina móvil puede sustituirse por el núcleo móvil de hierro de la Figura 33).

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Cuando un dispositivo de este tipo hace variar el voltaje inducido, el transductor puede designarse como pick up magnético o sensor de reluctancia variable.

Transductores LVDT (Linear Variable Differencial Transformer) Principio de funcionamiento. El LVDT es un transformador diferencial lineal que consta de dos secundarios idénticos conectados en serie-oposición (figura 34a) y de un núcleo móvil. Un desplazamiento de éste supone una variación de la inductancia mutua de cada secundario respecto al primario. Como sea que las tensiones inducidas van en oposición de fase, cuando el núcleo está centrado la tensión resultante es nula, y en cualquier otra posición se producirá un desequilibrio a favor de uno u otro secundario, apareciendo una resultante proporcional a la diferencia y con la fase de la tensión predominante (figura 34b).

Fig. 34a. Esquema de principio del transductor LVTD.

Fig. 34b. Tensión de salida en función del desplazamiento del núcleo.

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Fotografía de un LVDT mostrando la disposición de los devanados.

Constitución. Los devanados están montados sobre un carrete cilíndrico, guardando estricta simetría entre si. Alojado en el interior, el núcleo ocupa la posición del eje y puede desplazarse de un extremo a otro sin fricción. Puesto que se trata de medir fuerzas y el LVTD solo acusa desplazamientos, hace falta la concurrencia de un elemento elástico para completar el sistema transductor. Existen diversos dispositivos a base de resortes, flejes, anillos dinamométricos, etc para los diferentes casos de medida. La figura 35 muestra dos montajes para la medida de fuerzas de tracción y de compresión.

Fig. 35. Dos ejemplos de LVDT asociado con un elemento elástico.

Acondicionamiento y amplificación de la señal. El LVDT suministra una señal alterna cuyas variaciones de amplitud y de fase representan la magnitud y el sentido de la fuerza a medir. Cuando esta última información es importante hay que emplear un demodulador sincrono, pues sólo él proporciona un cero real en la posición neutra del núcleo. En casos menos críticos es suficiente con un demodulador pasivo a base de diodos. Se pierde algo de linealidad pero en cambio se prescinde del reajuste de fase. El esquema de la figura 36 corresponde a una versión moderna de este tipo de demoduladores.

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Fig. 36. Unidad de acondicionamiento y amplificación con demodulador pasivo.

Es de notar que entre los diodos y el amplificador no media resistencia alguna, con lo que se eliminan pérdidas. Las señales de salida en los dos secundarios sufren la misma rectificación. La diferencia de magnitudes es apreciada por un amplificador diferencial de corriente continua, con acuse de cambio de polaridad cuando el núcleo pasa por la posición neutral: si predomina la señal aplicada en la entrada NI (no inversora) el amplificador proporciona una tensión positiva; si por el contrario predomina la señal aplicada en la entrada I (inversora), la salida es negativa.

Curvas de sensibilidad de LVDT (Schaevitz).

Detectores de proximidad inductivosEntenderemos por detectores de proximidad inductivos todos los dispositivos detectores de proximidad que utilicen un campo magnético (estacionario o variable) como fenómeno físico aprovechable para reaccionar frente al objeto a detectar.En todos los casos, el campo de sensibilidad se hallará delimitado por una zona del espacio en la cual el valor y la definición del campo magnético son suficientes para producir reacciones

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aprovechables. Desde un punto de vista industrial, a esta modalidad de detector pertenecen la mayoría de los comerciales, tanto de aplicaciones generales como especializadas.La clasificación de las distintas versiones existentes dentro del tipo de detector inductivo la estableceremos en función de los distintos materiales ante los que son capaces de reaccionar ya que ello determina sus posibilidades prácticas y suele constituir el criterio básico de su elección. Comentaremos las soluciones tecnológicas existentes así como sus características peculiares de utilización (dependientes de estas tecnologías) que permiten la elección del modelo más idóneo en cada caso. En una última parte de este apartado, comentaremos los detectores de proximidad inductivos de aplicaciones especiales.

Versiones de los detectores de proximidad inductivosDetectores inductivos sensibles a materiales ferromagnéticos.Como su nombre indica, este detector de proximidad solamente reacciona ante la presencia de materiales ferromagnéticos. En todos ellos se hace uso de un campo magnético estático (generalmente producido por imanes permanentes incorporados en el propio detector) conducido por un camino de elevada reluctancia (generalmente el aire) que es modificada por la presencia del material ferromagnético a detectar. Un incremento de este campo, o un desequilibrio en una determinada zona del mismo, podrá ser fácilmente puesto de relieve por diversos medios. La definición de estos medios dará lugar a diversos modelos comerciales de detectores. A continuación vamos a estudiar brevemente cada uno de ellos.

Detectores sensibles materiales ferromagnéticos con contacto laminar.Este modelo de detector, el más sencillo en su clase, consta de dos imanes permanentes M1 y M2 (figura 37) y un relé laminar hermético R (dry-reed) que se mantiene normalmente abierto, debido a que el campo magnético sobre el eje de la ampolla es nulo en situación de equilibrio. Cuando un objeto ferromagnético se introduce en el espacio de campo de M1 concentra hacia si las líneas de fuerza de este imán, desequilibrado el campo con lo que el procedente de M2 cierra el contacto laminar.

Características mediasEvidentemente dependen de su tamaño y de las del contacto laminar empleado como elemento detector. Para un tipo medio comercial de dimensiones 80 x 80 x 30 mm las más significativas son:Sensibilidad: entre 10 y 20 mm (actuador de acero 70 x 20 x 5). Con actuadores de magnetismo permanente se puede ampliar este campo de sensibilidad. Repetibilidad: a temperatura constante, ± 0,15 mm Potencia manejable: a 250 V CA, 15 VA.

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Fig. 37. Detector laminar.

AplicacionesComo detector de posición o proximidad para materiales ferromagnéticos exclusivamente. Limitadas por todo lo que se expondrá en el apartado de «Inconvenientes».

VentajasSu principal ventaja la constituye la sencillez de aplicación, ya que no necesita alimentación ni equipo auxiliar, pudiendo actuar directamente sobre un sistema lógico o sobre un control de potencia mediante relé auxiliar (también triac o SCR). Por la propia característica de los contactos laminares (dry-reed) tiene una fuerte histéresis (diferencia de posición entre la distancia de activación y la de desactivación), lo que evita cualquier oscilación o indecisión en la maniobra. Generalmente es el modelo más económico.

InconvenientesNo puede trabajar en ambientes en donde existan otros materiales ferromagnéticos próximos y especialmente donde existan virutas de este tipo de material, ya que las atrae y acumula. Es influenciado por campos magnéticos externos. Debido a que el campo de un imán permanente es muy variable con la temperatura, la posibilidad de utilización queda relativamente limitad, ya que los desequilibrios producidos podrían dar lugar a maniobras intempestivas del contacto laminar. Generalmente los márgenes máximos se sitúan entre -10 °C y 60 °C aproximadamente. Ni siquiera en almacenamiento soportan temperaturas que se aproximen a la de Curie de los imanes, porque esto provocaría la destrucción permanente del equipo (téngase en cuenta la baja temperatura de Curie de los imanes cerámicos empleados en algunos modelos).Son poco resistentes a golpes y vibraciones, debido a la propia naturaleza del elemento detector (contacto laminar en ampolla de vidrio) y a la de los imanes. El contacto laminar admite muy difícilmente cualquier sobrecarga, soldándose con facilidad.

Detectores inductivos sensibles a materiales metálicosEsta versión de detector de proximidad reacciona ante cualquier material capaz de provocar pérdidas por efecto Foucault. En todos sus modelos comerciales se hace uso de un campo magnético variable (generado por el propio equipo detector) cuya dispersión en el espacio define el campo de sensibilidad del dispositivo. Cualquier material que pueda absorber energía de dicho campo provocará un cambio en los parámetros eléctricos del transductor que se utilice (dispositivo «cambiador» de energía eléctrica a campo magnético, generalmente bobina o circuito oscilante

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completo). Existen dos funcionamientos distintos dentro de esta versión que en la practica se confunden porque se utilizan simultáneamente. Estos funcionamientos dependen de cual sea el parámetro eléctrico modificado en el transductor.

a) Cambio del valor de Q. La absorción de energía produce un aumento de la resistencia equivalente de pérdidas de la bobina o circuito oscilante empleado. Ello significa una disminución del Q real del transductor, detectable por procedimientos electrónicos. Este efecto se presenta en materiales no ferromagnéticos aisladamente.

b) Cambio del valor de L (inductancia) del transductor. Cuando el material a detectar es ferromagnético o paramagnético se produce una disminución o aumento en la reluctancia del circuito y en consecuencia del coeficiente de autoinducción de la bobina del transductor. En un transductor inductivo, ello dará lugar a una variación de fase de corriente que circula por él, mientras que en un circuito oscilante producirá un cambio de la frecuencia de resonancia del mismo. Ambos efectos son detectables por procedimientos electrónicos.

Como se comprenderá fácilmente, en un material ferromagnético ambos efectos coexisten, predominando en la práctica uno de los dos según el diseño del circuito electrónico del detector. En el apartado dedicado a detectores de proximidad inductivos de aplicaciones especiales aclararemos estos puntos.A esta versión pertenecen todos los modelos comerciales que reciben el nombre práctico de interruptores de proximidad. Presentan las siguientes características comunes:

1) No existen modelos pasivos, precisando todos ellos alimentación.2) Incorporan un oscilador que produce el campo magnético variable.3) Se presentan en la práctica en forma de «sonda detectora» (ver figura 38) que incorpora el

transductor y el oscilador. En algunos modelos se incluye también la circuitería adicional mientras que en otros deben utilizarse equipos exteriores.

Fig. 38. Sonda detectora típica.

Modelos comercialesEstá fuera del alcance de este tratado su relación. La variedad y especialización de estos modelos nos lleva a asegurar que existe uno para cada aplicación industrial pudiendo sustituirse por ellos casi cualquier tipo de fin de carrera, detector de posición, palpadores, etc. Algunas firmas comerciales poseen más de un centenar de modelos en catálogo de esta versión. A titulo informativo describiremos un modelo muy generalizado. Consta (figura 38) de una «sonda detectora» de forma cilíndrica mecanizada. Como puede verse existe una parte roscada con tuerca-contratuerca que permite su fijación y regulación por simple taladro. En una de las bases del cilindro entran herméticamente los cables de interconexión de la «sonda detectora» al resto del conjunto electrónico, variable según tipo y aplicación. La base opuesta forma la cara sensible del detector.La sonda contiene el transductor y oscilador en todos los casos y en algunos de ellos amplificadores y detectores de nivel.

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Diagrama de bloquesPara este tipo de detector inductivo que funciona normalmente por variación de Q, el diagrama general es el que se representa en la figura 39. Cuando decrece el Q del transductor el nivel pico a pico do su tensión alterna decrece también, efecto que es puesto en evidencia por un detector de nivel que actúa sobre un amplificador de salida. En muchos casos prácticos se recurre a un diagrama de bloques más simplificado (figura 40), especialmente cuando no se requiere gran sensibilidad y/o se emplean amplificadores adicionales no incorporados en la sonda. Para ello se aprovecha el efecto de «bloqueo» del oscilador cuando las pérdidas provocadas son demasiado altas e imposibilitan la realimentación del mismo. La corriente continua de alimentación a la sonda desciende bruscamente, desexcitándose el relé R en serie con la misma cuando un objeto metálico se halla suficientemente próximo a la sonda. Al alejarse dicho objeto se restablece el valor del Q inicial del circuito oscilante arrancando bruscamente el oscilador cuyo aumento de consumo produce la nueva excitación de R. Este sistema producirá detectores de más baja sensibilidad, aunque suficiente a fines prácticos. Los osciladores deben estar en estos modelos adecuadamente diseñados para que el factor de acoplamiento permanezca constante con la temperatura. La posibilidad de empleo se halla en el margen de temperaturas de -20 °C a 60 °C.

Fig. 39. Diagrama de una sonda detectora.

Fig. 40. Diagrama simplificado.

Características mediasDatos resumen de los modelos industriales más utilizados.

a) Mecánicos.Diámetros:entre 6,5 y 70 mm, según modelos.

Longitudes: entre 20 y 85 mm, según modelos.b) Eléctricos.Sensibilidades: El actuador tiene por lo menos una superficie igual a la cara sensible de la sonda y un espesor mínimo de 0,5 mm.entre 2 y 40 mm, según modelos.Histéresis: 0,3 mm, para 20 m, sensibilidad máxima, 1 mm, para 40 mm, sensibilidad máxima.Repetibilidad: 0,05 mm para 20 mm, sensibilidad máxima.0,1 mm, para 40 mm, sensibilidad máxima.Deriva térmica: 0,004 mm °C para 6 mm sensibilidad máxima, 0,01 mm °C para 40 mm, sensibilidad máxima Temperatura de oscilación: desde -25 °C a 60 °C.

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Tiempo de respuesta típico: 100 microsegundos.Velocidad: Entre 50 y 5000 maniobras/segundo.

Consumo: 24 VCC y 50 mA para 12 mm de sensibilidad.

AplicacionesEsta versión de detector de proximidad, llamado interruptor de proximidad, puede utilizarse en cualquier tipo de maniobra mecánica-eléctrica cuyos requisitos puedan ser cumplimentados por las características expuestas en el párrafo anterior. Sus aplicaciones pueden extenderse a todo proyecto en el que se desee relacionar un movimiento o posicionado mecánico, con un equipo de regulación y control eléctrico.

VentajasSon sensibles a cualquier material, ferromagnético o no, que produzca pérdidas por efecto Foucault. En este respecto podemos destacar que ninguno de los que trabajan por variación de Q reaccionan frente a un actuador de ferrita debido a las bajas pérdidas de este material; si lo hacen, frente al mismo actuador, los detectores que trabajan por variación de L (variación de fase).Son equipos extraordinariamente robustos, resistentes a golpes y vibraciones. No precisan imanes permanentes, por lo que tienen poco peso y volumen, pudiendo trabajar en amplios márgenes de temperatura. Al no existir campos magnéticos intensos continuos a su alrededor, no atraen ni acumulan virutas o partículas metálicas. En general se presentan formando unidades herméticas selladas con resina epoxy, pudiendo trabajar en cualquier ambiente (polvo, humedad, ambientes corrosivos o deflagrantes, etc.) y accionar directamente un relé de maniobra. Comparten todas las ventajas de los dispositivos de estado sólido. La gran variedad de modelos comerciales existentes constituye un punto de evidente interés industrial, ya que será posible encontrar dentro de esta versión un modelo adecuado a la necesidad concreta de cada proyecto. Su desarrollo comercial se debe a que, en general, constituyen la mejor solución a un problema de accionamiento difícil.

InconvenientesSon dispositivos activos. Contienen pues componentes activos y consumen y disipan potencia continuamente. Son generalmente irreparables debiéndose sustituir completamente las sondas cuando éstas se averían en alguno de sus componentes.En los modelos en los que la sonda es independiente del amplificador de salida o éste no existe, la conexión entre ambos elementos debe estar apantallada y no puede ser excesivamente larga, quedando en la práctica limitada a unos dos metros, ya que normalmente estos dispositivos trabajan conjuntamente con máquinas que producen ruido eléctrico elevado.

Detectores de proximidad inductivos de aplicaciones especialesComo final de este apartado dedicado a los detectores de proximidad inductivos que constituyen sin duda el tipo más importante, técnica y comercialmente, de los detectores de proximidad, describiremos brevemente algunas aplicaciones de los mismos, muy difundidas, comentando su principio de funcionamiento y diagrama de bloques.

Localizadores de metalesSon detectores de proximidad inductivos que trabajan generalmente por variación del parámetro L. La variación de este parámetro produce mayores sensibilidades, lo que se pretende en esta aplicación es alcanzar la máxima posible.

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Fig. 41. Detector por variación del parámetro L.

En la figura 41 se representa su diagrama bloque. Un oscilador tipo L-C trabaja a la frecuencia f0

cuando L se encuentra alejada de cualquier material metálico. La modificación del campo variable generado por L produce una variación de este parámetro, traducida en un cambio de la frecuencia de oscilación, f0 ± Δf0. Un comparador de frecuencia (generalmente un simple cristal de cuarzo o más modernamente un PLL) produce una salida proporcional a la desviación puesta de manifiesto por un miliamperímetro, que es observado por el operador del equipo. También pueden existir dispositivo avisadores adicionales que actúan a partir de cierto nivel de desviación. Este tipo de detector utiliza frecuencias relativamente elevadas (100 KHz) por lo que es posible modificar f0 por variación de L (efecto sobre el campo magnético), o por variación de las capacidades asociadas al circuito resonante (efecto sobre el campo eléctrico) y capacidad parásita de L. De este modo, tanto los materiales ferromagnéticos, como otros materiales metálicos conductores, producirán desviaciones en el instrumento de medida, aunque en general la sensibilidad del equipo será mayor en los primeros. La sensibilidad puede llegar a unos 1000 mm sobre terreno medio.

Detectores de vehículosSon detectores de proximidad inductivos que trabajan por variación de L y medida de fase. Se aplica en este caso la propiedad de que un circuito resonante a f0 cambia muy rápidamente su fase alrededor del punto de resonancia (tanto más rápidamente cuanto mayor sea su Q). Este efecto es más notable que la disminución de su Q, especialmente cuando éste es bajo, por lo que se obtienen sensibilidades mayores. El diagrama de bloques corresponden a la figura 42. En él se observan dos osciladores y ambos trabajando siempre a la frecuencia f0. Uno de ellos, está fijado a f0 por medio de un cristal de cuarzo (oscilador 2), sincronizando al otro (oscilador 1) que se realimenta por medio de su circuito L-C. La bobina L se halla en el pavimento ocupando la zona que se desea controlar, por lo que la sintonía del oscilador 1 debe ser hecha sobre cada caso práctico, incluyendo los cables de interconexión, equipo-bobina. En ausencia de objetos metálicos el valor L-C resuena a f0 y por tanto su Q es bajo.Cuando un vehículo ocupa la zona de campo de L, varia su valor modificando la frecuencia de resonancia natural del oscilador 1. Sin embargo, éste no puede modificar su frecuencia de oscilación por las fuertes señales de sincronismo procedentes del oscilador 2. En estas condiciones el circuito L-C del oscilador 1 produce un fuerte desfase para la corriente de frecuencia f0. Este desfase es medido por un circuito comparador de fase (multiplicador, por ejemplo) cuya salida, proporcional¡ al cambio de L, es aplicada a un disparador que decide si existe presencia de vehículo en la superficie ocupada por la espira detectora.

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Fig. 42. Detector por variación de fase.

Estos circuitos se aplican para la regulación del tráfico urbano, medida de la intensidad de circulación por una vía pública, barreras de parking, estaciones de peaje, etc.

Transductores capacitivosMediante transductores capacitivos es posible efectuar medidas de hasta algunos metros, formando, por ejemplo, un condensador variable con un tubo metálico aislado interiormente, y el líquido conductor contenido en su interior, cuya altura se desea medir. Esta medida, sin embargo, es muy poco empleada debido a la poca precisión alcanzable.Los transductores capacitivos se utilizan casi exclusivamente en la medida de muy pequeños desplazamientos.La capacidad de un condensador viene dada por la expresión

de donde se desprende que puede variar la capacidad de un condensador, variando la distancia d entre placas o variando la superficie S de éstas.La variación de la distancia entre las placas puede efectuarse mediante un condensador doble, formado por tres placas, dos fijas y una móvil accionadas por el captador (figura 43). Las capacidades de los dos condensadores formados son respectivamente:

y Si estos dos condensadores forman parte de un puente, sus tensiones en bornes serán:

obteniéndose una tensión de salida

tensión que no es afectada por la constante del dieléctrico, que varia con las condiciones de temperatura y humedad.

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Otros transductores capacitivos están dispuestos para variar la superficie entre placas, ya sea por desplazamiento angular o por desplazamiento lineal de unas placas entre las otras (figura 44). En este caso, se prefiere una estructura tubular, que permite una mecánica más robusta.

Fig. 43. Transductor capacitivo por variación de distancia entre placas.

Fig. 44. Transductor capacitivo por variación de superficie.

También se utiliza en algunos casos un condensador formado por una lamina flexible, que al apoyarse sobre un soporte curvo (figura 45) varía la capacidad del condensador formado. Con este método se consigue una alta sensibilidad, aunque la estabilidad no es buena.

Fig. 45. transductor de posición capacitivo.

En general, en los transductores capacitivos puede alcanzarse una muy elevada sensibilidad, pero se precisa una calibración previa para evitar los efectos de la temperatura, humedad o capacidad de los cables de conexión.La variación de capacidad puede usarse también para transformar un movimiento mecánico en señal eléctrica (figura 46) una placa de un capacitor se halla fija mientras la otra está mecánicamente acoplada al miembro cuyo movimiento ha de medirse. La variación resultante de capacidad puede calcularse por la fórmula básica:

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donde:A = área de una de las pacas en cm2.N = número de placas.t = espesor del dieléctrico (espacio entre las placas) en cm.K = constante dieléctrica.La variación de la capacidad puede medirse en un puente de capacidades o podrá alterar la frecuencia de un circuito oscilante. El transductor capacitivo es simple y liviano y se adapta especialmente a la medición de variaciones de alta frecuencia.Cuando el cambio de capacidad se mide en un puente de CA, es necesario adoptar precauciones especiales contra la captación de señales de CA por el circuito de alta impedancia. También debe resguardarse contra el efecto de los cambios de temperatura.

Fig. 46. Transductores capacitivos: (A) de presión, y (B) aceleración.

El módulo modificador de señal en un sistema con transductor capacitivo es más complejo y sofisticado que el que se necesita con los transductores resistivos o inductivos. En los sistemas de telemetría, parte de este aparato necesario está prácticamente presente en la forma del radiotransmisor que emite la información al receptor distante. La capacidad variable del transductor forma parte del circuito sintonizado y la frecuencia del transmisor cambia con las variaciones de la cantidad que se mide.

Los transductores capacitivosSe basan en la variación de capacidad que se produce en un condensador al desplazarse una de sus placas por la aplicación de presión (figura 47). La placa móvil tiene forma de diafragma y se encuentra situada entre dos placas fijas. De este modo se tienen dos condensadores uno de capacidad fija o de referencia y el otro de capacidad variable, que pueden compararse en circuitos oscilantes o bien en circuitos de puente de Wheatstone alimentados con corriente alterna.

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Fig. 47. Transductor capacitivo.

Los transductores capacitivos se caracterizan por su pequeño tamaño y su construcción robusta, tienen un pequeño desplazamiento volumétrico y son adecuados para medidas estáticas y dinámicas. Su señal de salida es débil por lo que precisan de amplificadores con el riesgo de introducir errores en la medición. Son sensibles a las variaciones de temperatura y a las aceleraciones transversales y precisan de un ajuste de los circuitos oscilantes y de los puentes de c.a. a los que están acoplados.Su intervalo de medirla es relativamente amplio entre 0,05 - 5 a 0,05 - 600 kg/cm2 y su precisión es de¡ orden de ± 0,2 a ± 0,5 %.

Detectores de proximidad capacitivosEntendemos por detectores de proximidad capacitivos todos los dispositivos detectores de proximidad que utilicen un campo eléctrico (generalmente variable) como fenómeno físico aprovechable para reaccionar frente al objeto a detectar.Ya hemos visto (en detector de metales), que es verdaderamente difícil separar los fenómenos físicos, especialmente cuando coexisten los campos eléctricos y magnético, que provocan en el circuito variaciones que afectan a los mismos parámetros. Por ello estudiaremos en este capítulo los detectores de proximidad que hacen uso principalmente de fenómenos capacitivos, excluyendo casos de utilización parcial del mismo. Asimismo, por no ser propósito de la obra, excluimos también a los dispositivos que utilizan el campo eléctrico para medición o funcionamiento (control de horizontalidad de aviones, electrómetros, etc.). El diagrama de bloques para este tipo de detector se representa en la figura 48. Un oscilador alimenta a un generador de corriente constante i0, cuya carga se halla constituida por la puesta en paralelo de la resistencia R (entrada al disparador) y la «sonda sensible» del equipo detector, que suele estar construida por una superficie metálica conductora, de dimensiones variables según la aplicación, cuya capacidad parásita respecto al plano de tierra, Cp, es baja y conocida en ausencia del objeto a detectar. En estas condiciones la tensión de entrada al disparador es aproximadamente i0.R. Cuando, debido a la presencia del objeto a detectar, el valor de la capacidad parásita Cp aumenta, se deriva por ella una cierta corriente ip, siendo entonces el valor de la tensión suministrada al disparador (i0 – ip) R <i0.R. Para un cierto valor de esta tensión se produce el basculamiento del disparador, que amplificado por A permite la actuación sobre los elementos exteriores.

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Fig. 48. Detector capacitivo.

Aplicaciones preferentes de los detectores capacitivosEste tipo de detector de proximidad presenta una diferencia fundamental respecto a los tipos anteriormente descritos. En efecto, por el objeto detectado circula una cierta corriente i1, necesaria para poder bascular al disparador interior. La naturaleza de i1 puede ser muy particular, debido a que se trata generalmente de una intensidad pequeña (del orden de 10-6A) y de frecuencia elevada (la frecuencia de oscilación interior). Tal tipo de corriente no produce ninguna sensación ni problema fisiológico, por lo que estos detectores pueden ser fácilmente activados por intervención humana. En estas aplicaciones las manos del operador constituirán el elemento de acoplo capacitivo Cp, derivándose a tierra por el cuerpo del mismo la corriente i1. Con ello es posible construir sistemas de seguridad de diversa índole. En el campo de las máquinas-herramienta podrá comprobarse que las manos del operador ocupan posiciones bien definidas antes de permitir una operación. En caso contrario la operación podrá inhibirse por un sistema de seguridad.Por los mismos motivos expuestos existe una aplicación de indudable importancia técnica y comercial, que da lugar el más difundido tipo de detector capacitivo destinado a ser activado por el hombre, TOUCH-CONTROL. Existen diversos tipos de detectores capacitivos que se presentan comercialmente en forma de pulsadores, en muchos casos incluso luminosos, y que funcionan por el principio citado. La «sonda detectora» se halla en ocasiones oculta bajo materiales aislantes para evitar el contacto directo. Estos tipos de pulsadores son verdaderamente pulsadores sin contacto, ya que no existe ninguna parte móvil en los mismos, contrariamente a los pulsadores basados en el efecto Hall. En los modelos comerciales las salidas son compatibles con C-MOS, TTL, HTL, etc. Este tipo de pulsadores, por propia construcción, constituyen la mejor solución tanto en equipos donde el número de maniobras es elevado (computadores, ascensores, teclados para cajas registradoras, etc.), como en sistemas donde las condiciones ambientales son difíciles (ambientes explosivos, refinerías, juegos electrónicos, etc.). Generalmente el propio pulsador no incorpora el sistema de «interfase» con el resto del equipo, sino tan solo los elementos de detección. La salida puede estar constituida por una señal continua o por un impulso generado al ritmo de un reloj exterior que debe ser suministrado al «touch-control», además de la alimentación. En la figura 49 se describe la aplicación para un pulsador de estado sólido de acción momentánea y en la figura 50 se muestra la utilización del mismo pulsador para acción «on-off». En los dos circuitos el estado normal de la salida es con Q bajo (por tanto Q alto). Otros modelos muy interesantes de este tipo de detector incorporan en su interior visualizadotes numéricos de estado sólido (LED segmentos displays), que avanzan en contaje decimal paso a paso según las pulsaciones del operador, o a un determinado ritmo generado interiormente, que se mantiene mientras el operador activa el «touch-control». La puesta a cero es automática, por acción del operador en la zona superior del conjunto. La salida se halla codificada en BCD para acceder al equipo electrónico. Este tipo de detector de proximidad, de características sorprendentes, es una réplica en estado sólido de los muy utilizados «thumbwheel switch».Con este conjunto de posibilidades, se pueden ejecutar con facilidad paneles de mando completamente de estado sólido (los potenciómetros pueden ser sustituidos por una o más décadas, según la precisión deseada), obteniéndose unas características de vida media que se

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estiman en 500 millones de operaciones, conjuntamente con ausencia de rebotes, insensibilidad a vibraciones, polvo, ambientes agresivos, etc.

Fig. 49. Aplicación del «touch control»; acción momentánea con reloj.

Fig. 50. Aplicación del «touch control» on-off, con reloj.

Otras aplicacionesCon el mismo principio de funcionamiento, expuesto en la figura 48, se explotan sistemas destinados a la detección de materiales no férricos y en general de toda índole. Así existen detectores de nivel de grano para silos, sistemas publicitarios en los que la presencia o acción del cliente activa luces o sonido, sistemas antirrobo, detectores de humos o partículas en conducciones y chimeneas, etc.

Medidor de capacidadMide la capacidad del condensador formado por el electrodo sumergido en el líquido y las paredes del tanque (figura 51). La capacidad del conjunto depende linealmente del nivel del liquido.

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Fig. 51. Medidor de capacidad, a) fluido no conductor; b) fluido conductor.

En fluidos no conductores se emplea un electrodo normal (figura 51a) y la capacidad total del sistema se compone de la del líquido, la del gas superior y la de las conexiones superiores.En fluidos conductores (figura 51b) con una conductividad mínima de 100 mcrohoms/c.c. el electrodo está aislado interviniendo las capacidades adicionales entre el material aislante y el electrodo en la zona del líquido y del gas.El sistema es sencillo y apto para muchas clases de líquidos. Sin embargo, hay que señalar que en los fluidos conductores, los sólidos o líquidos conductores que se encuentran en suspensión o emulsión, y las burbujas de aire o de vapor existentes, aumentan y disminuyen respectivamente la constante dieléctrica del fluido dando lugar a un error máximo del 3% por cada tanto por ciento de desplazamiento volumétrico. Por otro lado, al bajar el nivel, la porción aislante del electrodo puede quedar recubierta de líquido y la capacidad adicional que ello representa da lugar a un error considerable.El circuito electrónico (puente de capacidades) alimenta el electrodo a una frecuencia elevada, lo cual disminuye la reactancia capacitiva del conjunto y permite aliviar en parte el inconveniente citado de recubrimiento del electrodo.En la figura 52 puede verse un diagrama de bloques del circuito.

Fig. 52. Diagrama de bloques de un medidor de nivel por puente de capacidades.

La precisión de los transductores de capacidad es del ± 1%. Se caracterizan por no tener partes móviles, son ligeros, presentan una buena resistencia a la corrosión y son de fácil limpieza.Tienen el inconveniente de que la temperatura puede afectar las constantes dieléctricas y de que los posibles contaminantes contenidos en el liquido pueden adherirse al electrodo variando su capacidad y falseando la lectura.

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