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Transductores de Corriente
Un transductor ó convertidor de medida es un dispositivo que transforma el valor de cualquier magnitud física en una señal proporcional de c.c. (intensidad o tensión normalizada).
¿Cómo escoger un transductor a partir de sus características básicas?
1. ¿Qué es un transductor?
2. Tipo de transductores.
2.1. Transductores de desplazamiento y proximidad.
2.1.1. Transductores basados en fenómenos eléctricos.
2.1.2. Transductores basados en fenómenos eléctricos e intervenidos por campos electromagnéticos.
2.1.3. Transductores basados en codificadores rotatorios.
2.2. Conversión de voltaje a frecuencia y de frecuencia a voltaje.
2.2.1. Convertidores de voltaje a frecuencia.
2.2.2. Convertidores de frecuencia a voltaje.
2.3. Conversión de voltaje a corriente y de corriente a voltaje.
2.3.1. Convertidores de voltaje a corriente.
3. Características de los transductores.
1. ¿Qué es un transductor de corriente y cómo funciona?
Un transductor o convertidor de medida es un dispositivo que transforma el valor de cualquier magnitud física en una señal proporcional de otra variable interpretable por el sistema a utilizar.
En un sistema básico de medida hay tres procesos que parten de los datos de la fuente de alimentación: (1) se detectan las variables, (2) se acondiciona la señal y (3) se presenta o visualiza la información. En la detección se sensa la variable a medir y el medio físico para realizarla se llama transductor, el cual es un dispositivo que al ser afectado por la energía de un sistema de transmisión proporciona energía del mismo o de otro tipo a un segundo sistema de transmisión. Esta transmisión de energía puede ser eléctrica, mecánica, química, óptica (radiante), térmica, entre muchas otras variables.
Al pasar al acondicionamiento, la señal del transductor se adecua mediante un circuito el cual puede amplificar, acoplar las impendancias, asilar, filtrar y otros procesos que afectan a dicha señal, dependiendo de la necesidad del usuario. Esto con el fin de obtenerla adecuadamente para el medio de presentación.
Una vez que se logra una señal con el nivel y las características adecuadas, puede ser enviada a diversos dispositivos de presentación como voltímetros, graficadores u osciloscopios, entre otros, para su observación y registro de datos a través de una computadora digital y así realizar finalmente el registro, procesamiento y análisis de la información. También puede pasar a un sistema de control si forma parte de algún sistema de control de variable.
La fuente de alimentación proporciona la energía eléctrica adecuada a todos los componentes del sistema que así lo requieran.
En un sistema básico de medida hay tres procesos que parten de los datos de la fuente de alimentación: (1) se detectan las variables, (2) se acondiciona la señal y (3) se presenta o visualiza la información. En la detección se sensa la variable a medir y el medio físico para realizarla se llama transductor, el cual es un dispositivo que al ser afectado por la energía de un sistema de transmisión proporciona energía del mismo o de otro tipo a un segundo sistema de transmisión. Esta transmisión de energía puede ser eléctrica, mecánica, química, óptica (radiante), térmica, entre muchas otras variables.
Al pasar al acondicionamiento, la señal del transductor se adecua mediante un circuito el cual puede amplificar, acoplar las impendancias, asilar, filtrar y otros procesos que afectan a dicha señal, dependiendo de la necesidad del usuario. Esto con el fin de obtenerla adecuadamente para el medio de presentación.
Una vez que se logra una señal con el nivel y las características adecuadas, puede ser enviada a diversos dispositivos de presentación como voltímetros, graficadores u osciloscopios, entre otros, para su observación y registro de datos a través de una computadora digital y así realizar finalmente el registro, procesamiento y análisis de la información. También puede pasar a un sistema de control si forma parte de algún sistema de control de variable.
La fuente de alimentación proporciona la energía eléctrica adecuada a todos los componentes del sistema que así lo requieran.
2. Tipos de transductores
Los transductores se pueden clasificar de acuerdo a su principio de operación, aplicación, método de conversión de energía, tipo de señal de entrada o de salida. En este caso, la clasificación se hace de acuerdo al principio de operación eléctrica, presentando las aplicaciones típicas a las que están destinados.
Si el transductor produce una señal eléctrica (voltaje o corriente) sin necesidad de excitación eléctrica, se les llaman transductor activo o de autogeneración; y si únicamente genera una señal de salida solo cuando se utiliza con una fuente de excitación se les llama transductor pasivo.
Si el transductor produce una señal eléctrica (voltaje o corriente) sin necesidad de excitación eléctrica, se les llaman transductor activo o de autogeneración; y si únicamente genera una señal de salida solo cuando se utiliza con una fuente de excitación se les llama transductor pasivo.
2.1. Transductores de desplazamiento y proximidad
De acuerdo al principio físico con el que funcionan los transductores de desplazamiento y proximidad, estos se clasifican en tres grupos: los que se basan en fenómenos puramente eléctricos, aquellos basados en fenómenos eléctricos con intervención de un campo magnético y los basados en las codificadores rotatorios.
2.1.1. Transductores basados en fenómenos eléctricos
Los transductores o sensores basados en fenómenos puramente eléctricos pueden ser principalmente de tres tipos: transductores capacitivos, resistivos (o potenciometricos) y piezorresistivos. Estos transductores convierten la posición en una magnitud eléctrica.
Dentro de esta categoría se puede mencionar el transductor capacitivo de placas planas y paralelas cuya capacitancia se da en función de sus dimensiones. Este tipo de transductor se utiliza en la medición de vibraciones, similares a los micrófonos de condensador, o también en los dispositivos para la determinación del nivel alcanzado por los líquidos dieléctricos en tanques metálicos.
Otros equipo que se basa en los principios eléctricos es el transductor resistivo o potenciometrico, el cual permiten expresar la resistencia eléctrica de un conductor en función de sus dimensiones. En caso de que se requiera un transductor de mayor precisión y mayor tamaño, se utiliza un sensor potenciométrico rectilíneo y circular.
Un fenómeno eléctrico adicional utilizado en los transductores de posición es el de la piezorresistividad, que es la propiedad que poseen ciertos materiales para poder cambiar su propia resistencia cuando se deforman. Los sensores que se basan en este principio se denominan extensómetros y se usan frecuentemente medir la deformación causada por fuerzas externas en un componente existente.
2.1.2. Transductores basados en fenómenos eléctricos e intervenidos por campos electromagnéticos
En los transductores basados en fenómenos eléctricos con intervención de un campo magnético se incluyen todos los transductores que convierten un desplazamiento en variaciones de voltaje de corriente alterna, mediante un voltaje inducido por un campo magnético.
Los transductores que se basan en los principios electromagnéticos para la determinación de un ángulo funcionan como medidores de flujo concatenado y tienen un circuito cerrado, el cual está constituido por un conductor eléctrico. Esta medición permite diferenciar el potencial que existe entre los extremos de dicho circuito eléctrico. Dependiendo de su funcionamiento se pueden dividir en dos:
Por un lado, los sensores sincro, denominación con la que se conoce a una familia de elementos cuya acción es similar a la de un transformador variable. En estos la función del bobinado primario la realiza el rotor monofásico y la función del secundario es desarrollada por un estátor de tres embobinados conectados en estrella y desfasados entre si por 120º. Las amplitudes del voltaje en el estátor dependerán de la posición angular del rotor. Los sincro se dividen en varias categorías dependiendo de su función precisa. Estos dispositivos generalmente se utilizan para transmitir y recibir posiciones angulares por medios eléctricos. Dentro de la familia de los elementos sincronos, el transformador de control es un dispositivo de gran utilidad cuando se desea conseguir la posición angular en forma eléctrica. Esta necesidad se debe a que no siempre se transmite la posición en forma directa.
El segundo de este tipo, es el sensor de resolución que cuenta con un rotor monofásico que cumple la función del primario, mientras que el estátor de dos embobinados separados 90 ° realiza la función del secundario. Si se le aplica al rotor una señal senoidal de frecuencia w y amplitud constante, se obtienen dos voltajes inducidos, en los extremos del estátor desfasados 90 ° entre si. En forma similar al sincrono, la amplitud del voltaje de salida, dependerá de la posición angular de la entrada.
El ultimo tipo de sensor que aprovecha este fenómeno físico, es el transformador diferencial de variaciones lineales o sensor LVDT, el cual está constituido por un soporte de material ferromagnético, un bobinado primario y dos secundarios colocados paralelamente. Cuando se aplica una excitación de corriente alterna en el primario, el núcleo ferromagnético se mueve entre el conjunto de los devanados y el acoplamiento del primario con cada uno de los secundarios varia. Esto da como resultado que la magnitud y fase de la tensión de los secundarios cambie desde cero, lo cual solo es posible cuando el núcleo se encuentra centrado en los dos secundarios. Así se mide la fuerza en términos del desplazamiento del núcleo ferromagnético del transformador
2.1.3. Transductores basados en codificadores rotatorios
Los transductores basados en codificadores rotatorios son convertidores mecánicos que traducen la posición angular o lineal de tipo analógico, brindada por un eje, a una señal digital. Este transductor está formado por un disco que contiene patrones de codificación localizados concentricamente en él, donde existen segmentos alternados de material conductor (negro) y no conductor (blanco), y de un eje de un motor de autobalance. En el disco están impresos o perforados una sucesión de números conforme a un código binario. La resolución de dichos dispositivos es inversamente proporcional a! número de áreas de material conductor y directamente proporcional a! desplazamiento angular. Una característica de todos los transductores de este tipo es el paso de la cuantificación con el cual se realiza la conversión digital de la entrada.
2.2. Conversión de voltaje a frecuencia y de frecuencia a voltaje
El termino convertidor de voltaje a frecuencia (CVF) se refiere a que la frecuencia de alguna señal periódica se hace proporcional a un voltaje de control analógico. La salida en frecuencia puede ser de cualquier forma de onda periódica, como una onda cuadrada,. un tren de pulsos, una onda triangular o una onda senoidal. Las salidas de tren de pulsos o de ondas cuadradas son las que generalmente se desean si la salida esta destinada a activar un contador de cualquier clase.
2.2.1. Convertidores de voltaje a frecuencia
El circuito básico que realiza esta conversión se ilustra en la Figura 1. Consta de un integrador (A1) y de un comparador (A2). El comparador A2 invierte la salida cuando en su entrada no inversora el voltaje cambia de signo (inversión al cruzar por cero). La amplitud del voltaje Vo esta determinada por el voltaje de polarización, es decir, el tiempo necesario para que la salida de A1 (constante de integración RC) alcance el valor que da lugar a la conmutación de A2 depende del valor del voltaje de saturación. De este modo se obtiene una variación de la frecuencia de Vo proporcional al voltaje de polarización, logrando con este circuito un convertidor V /F.
Figura 1. Conversión de voltaje a frecuencia.
2.2.2. Convertidores de frecuencia a voltaje
La conversión F/V es conocida sobretodo para resolver los problemas derivados de los instrumentos. Un caso muy común y sencillo es aquel en que la frecuencia de entrada está constituida por una secuencia de pulsos de forma y amplitud bien determinados con área constante. En dicho caso para realizar la conversión basta usar un filtro paso bajo como el que se muestra en la Figura 2.
Figura 2. Filtro paso bajo
Las ecuaciones de operación son:
Vo = - { Vin RF / Rs ( 1 + 2 π f RF C ) }
Con una constante de tiempo RC pequeña se tiene una respuesta rápida pero aumentara el rizo de la salida mientras que si la constante de tiempo RC es grande reducirá mucho la velocidad de respuesta del dispositivo.
Cuando la señal de entrada no sea un pulso (como puede ser una señal senoidal o triangular), basta con adoptar el esquema de la Figura 3 para realizar la conversión. En el esquema, el detector de cruce por cera genera un pulso que va a controlar un monoestable formador de pulsos cuya señal de salida se envía al filtro paso bajo.
Figura 3. Conversión de frecuencia a voltaje.
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Para visualizar la conversión se considera a la señal de entrada con una cierta frecuencia, la cual pasa a través del capacitor de entrada y activa el oscilador sólo con los frentes de bajada, en correspondencia con los cuales se tendrá en la salida del oscilador un tren de pulsos, de duración constante y de frecuencia igual a la de la señal de entrada, que después de ser invertidos se envían basta un filtro paso-bajas. La salida del filtro proporciona un voltaje cuya amplitud es proporcional a la frecuencia de la señal de entrada. En la Figura 4 pueden observarse las formas de las señales detectadas en el convertidor. |
Figura 4. Señales detectadas en el transductor.
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2.3. Conversión de voltaje a corriente y de corriente a voltaje
En algunas aplicaciones, tales como en el control de bobinas (electroimanes) y en la transmisión de señales por líneas muy largas, a menudo es preferible adoptar una señal de corriente en lugar de una de voltaje; y en el caso de transmisión de señales de corriente muchas veces es necesario, para recibirlas, convertirlas en señales de voltaje.
Las conversiones se realizan básicamente con dos tipos de dispositivos: unos denominados convertidores V/I y los otros convertidores I/V. Estos transforman un voltaje en corriente o bien una corriente en voltaje; y los llamados transmisores. Los transmisores son dispositivos que reciben la señal de un transductor o de un elemento primario y la convierten en una señal eléctrica o en una señal neumática, llamándose respectivamente, transmisores de salida eléctrica o de salida neumática. Los rangos estandarizados de las señales de salida son de 4 a 20 mA para Ia señal eléctrica y de 3 a 15 Psi para la neumática.
En relación con los convertidores V/I , al campo de voltajes de entrada le corresponden un margen de corriente de salida normalizado de 4 mA a 20 mA. Este rango de corriente desplazado de cero es de gran utilidad ya que se puede detectar fácilmente la condición de alambre abierto o interrumpido diferenciándose de la condición I=0.
El rango de salida del convertidor I/V se selecciona según la aplicación y normalmente es de 0 V a 8 V, de 0 V a 10 V, de -8 V a + 8 V o de -10 V a + 10 V.
Los convertidores de V/I e I/V se basan en las aplicaciones del amplificador operacional. El amplificador operacional es un amplificador de alta ganancia y de acoplamiento directo. Generalmente esta diseñado para amplificar señales que abarcan un amplio rango de frecuencia y normalmente se usa con redes realimentadas. Aunque muchos amplificadores operacionales usan una sola terminal de entrada, muchos otros utilizan la entrada diferencial, y todos tienen una sola terminal de salida.
Existen propiedades ideales de los amplificadores operacionales hacia las cuales esta dirigido su diseño. Estas propiedades no se realizan en la práctica, pero su consideración permite realizar análisis preliminares de los circuitos realimentados que se incluyen en todos los amplificadores.
Las propiedades idealizadas del amplificador son las siguientes:
Ganancia = ∞ (A -+ ∞ )
e0 = 0 cuando e1 = e2
Impedancia de entrada = ∞ ( Zi -> ∞ )
lmpedancia de salida =0 (Zo -> 0)
Ancho de banda = ∞ (retraso en la respuesta = 0)
Cuando se incluye una realimentación, las características del amplificador son determinadas principalmente por la red de realimentación.
2.3.1. Convertidores de voltaje a corriente
Los convertidores V /I más sencillos son los que utilizan el amplificador operacional en su configuración de inversor y no inversor. Los circuitos ilustrados en la Figura 5 a) y b) constituyen ejemplos de este tipo.
Figura 5. Conversión voltaje a corriente.
El circuito de la Figura 5a es un simple inversor. La corriente de entrada es la corriente de carga y esta dada por:
.
i1 = e1 / R1 = K e1 = iL
ya que R1 está conectada a la tierra virtual de la unión suma. Esta misma corriente fluye a través de la impedancia de carga de realimentación ZL. La corriente i1 es independiente del valor de ZL y tanto la fuente de señal como el amplificador operacional deben ser capaces de suministrar la cantidad deseada de corriente de carga.
El circuito de la Figura 5b opera en modo no inversor y presenta una alta impedancia a la fuente de excitación. La corriente se sigue expresando mediante la ecuación:
i1 = e1 / R1 = K e1 = iL
donde i1 es de nuevo la corriente de carga. La corriente requerida por la fuente de señal es muy pequeña a causa de la alta impedancia del amplificador no inversor.
Otro convertidor V/I para cargas fluctuantes (esto es, cargas de variaciones pequeñas y rápidas) se ilustra en la Figura 6 que corresponde a un amplificador de corriente. En dicho convertidor la mayor parte de la corriente es suministrada por el amplificador operacional y solo una pequeña parte por la fuente de señal de entrada .
.
i1 = e1 / R1 = K e1 = iL
ya que R1 está conectada a la tierra virtual de la unión suma. Esta misma corriente fluye a través de la impedancia de carga de realimentación ZL. La corriente i1 es independiente del valor de ZL y tanto la fuente de señal como el amplificador operacional deben ser capaces de suministrar la cantidad deseada de corriente de carga.
El circuito de la Figura 5b opera en modo no inversor y presenta una alta impedancia a la fuente de excitación. La corriente se sigue expresando mediante la ecuación:
i1 = e1 / R1 = K e1 = iL
donde i1 es de nuevo la corriente de carga. La corriente requerida por la fuente de señal es muy pequeña a causa de la alta impedancia del amplificador no inversor.
Otro convertidor V/I para cargas fluctuantes (esto es, cargas de variaciones pequeñas y rápidas) se ilustra en la Figura 6 que corresponde a un amplificador de corriente. En dicho convertidor la mayor parte de la corriente es suministrada por el amplificador operacional y solo una pequeña parte por la fuente de señal de entrada .
Figura 6. Amplificador de corriente.
3. Características de los transductores
Tanto en el diseño y fabricación de un transductor como en los ya comercializados, debe tomarse en cuenta las especificaciones para obtener la mejor capacidad de medición. Dichas especificaciones son las que caracterizan al transductor y permiten definir el tipo y rango de la medición, exactitud, precisión, condiciones ambientales y montaje para la aplicación específica. Las características de la magnitud a medir corresponden básicamente a los parámetros relacionados con la magnitud practica a medir sin que se afecte la operación del transductor.
