Un sensor es un dispositivo que responde a un fenómeno cambiante.
Un transductor es un dispositivo que transfiere energía de una forma a otra.
Los sensores y transductores se pueden clasificar de varias formas, dependiendo de factores como la entrada y salida de energía,
variables de entrada, elementos de detección y principios eléctricos o físicos. Desde el punto de vista de la entrada y salida de energía,
hay tres tipos: modificadores, autogeneradores y moduladores.
En los modificadores, una forma particular de energía se modifica en lugar de convertirse; por lo tanto,
la misma forma de energía existe tanto en la etapa de entrada como en la de salida.
En los autogeneradores, las señales eléctricas se producen a partir de entradas no eléctricas sin la aplicación de energía externa.
Ejemplos típicos: transductores piezoeléctricos y células fotovoltaicas.
Los moduladores producen salidas eléctricas a partir de entradas no eléctricas, pero requieren una fuente externa de energía.
Ejemplo típico: galgas extensométricas.
Sensores inteligentes
Un sensor inteligente convencional mide parámetros físicos, biológicos o químicos y los convierte en señales eléctricas. Requiere circuitos y
componentes externos complejos para el procesamiento de señales y su visualización.
El término sensor inteligente (en inglés: smart sensor) se adoptó a mediados de la década de 1980 para diferenciar una nueva
clase de sensores de los sensores convencionales. Los sensores inteligentes incorporan alguna forma de “inteligencia” y pueden convertir la señal del
sensor a un nivel que los hace mucho más convenientes de usar.
Proporcionan funciones de valor agregado (por ejemplo: autoidentificación, autocomprobación,
tablas de búsqueda, curvas de calibración) y capacidad para comunicarse con otros dispositivos. Estas funciones se implementan integrando sensores con
microcontroladores, microprocesadores o lógica digital en el mismo chip.
Los sensores inteligentes también incluyen funciones de amplificación, acondicionamiento, procesamiento y conversiones A/D de la señal.
Algunos sensores inteligentes emplean redes neuronales y otras tecnologías de inteligencia, programadas y mantenidas en el chip. Pueden asimilar grandes
volúmenes de datos y tomar acciones autónomas y apropiadas en entornos dinámicamente cambiantes. Por ello, la detección, el aprendizaje y la
autoconfiguración son elementos clave.
Ejemplos disponibles en el mercado: sensores de presión y acelerómetros, biosensores, sensores químicos, sensores ópticos, sensores magnéticos, etc.
Los sistemas de visión inteligente y los sensores basados en procesadores paralelos son ejemplos típicos de tales dispositivos.
Instrumentación industrial: señales de control
Las señales de control de instrumentación industrial se pueden transmitir neumática o eléctricamente. Debido a la necesidad de suministro de aire para la
transmisión neumática, plomería inflexible, costo, tiempo de reacción lento, rango limitado, confiabilidad y precisión, la transmisión eléctrica es hoy
el método preferido.
Las señales eléctricas pueden transmitirse como voltajes, corrientes, en forma digital, óptica o inalámbrica. Desafortunadamente, los términos
transductor, convertidor y transmisor a menudo se confunden y se usan indistintamente.
Los transmisores aceptan señales eléctricas de bajo nivel y las formatean para que puedan transmitirse a un receptor distante.
Deben entregar una señal con suficiente amplitud y potencia para que sea reproducida como una representación fiel de la entrada,
sin pérdida de precisión o información.
El valor inicial (offset) es el extremo inferior del rango operativo. Ajustar el offset configura la salida del transductor para
dar la salida mínima (generalmente cero) cuando la señal de entrada es mínima.
El intervalo de medida (span) es el rango de la señal desde cero hasta deflexión de escala completa. El ajuste de span (o ganancia
del sistema) fija el límite superior con la entrada máxima. Normalmente hay interacción entre offset y span: se ajusta primero el offset y luego el span.
Transmisión de una señal neumática
Las señales neumáticas se utilizaron inicialmente para transmisión y todavía se emplean en instalaciones antiguas o donde señales eléctricas o chispas
podrían causar ignición de materiales combustibles.
La transmisión neumática a largas distancias requiere tiempos de estabilización excesivos para las necesidades actuales. Además, las líneas neumáticas
son inflexibles, voluminosas y costosas, y no son compatibles con microprocesadores. Por ello, no se usan en diseños nuevos, salvo casos especiales.
Los rangos neumáticos estandarizados son 3 a 15 psi (20 a 100 kPa) y 6 a 30 psi (40 a 200 kPa), siendo preferido el
rango de 3 a 15 psi. No se usa cero como mínimo porque presiones bajas no se transmiten bien; además, el nivel cero permite detectar fallas del sistema.
Transmisión analógica
Consideraciones de ruido
Las señales analógicas de voltaje o corriente se cablean entre transmisor y receptor. Pueden ser relativamente lentas de procesar debido a la constante de
tiempo (capacitancia, inductancia y resistencia del cableado), pero siguen siendo más rápidas que muchos sistemas mecánicos.
Las señales analógicas pueden perder precisión en líneas largas con alta resistencia; también son susceptibles a compensación de tierra, lazos de tierra,
ruido y captación de radiofrecuencia. Motores y transmisores RF pueden inducir interferencias electromagnéticas (EMI) y de radiofrecuencia
(RF), generando señales de error.
Figura 1. Conexiones de suministro y señal entre controlador y transmisor: (a) cables rectos y (b) par trenzado.
Para reducir estos problemas, se emplea par trenzado apantallado y una puesta a tierra adecuada. La pantalla reduce la captación de RF/EMI y el ruido inducido
se reduce considerablemente. Dado que variaciones del suministro pueden modificar offset y ganancia del sensor/transmisor, se recomienda regular el voltaje.
Figura 2. Conexión de señal diferencial apantallada entre controlador y transmisor.
En la figura 2 se muestra un método mejorado: el transmisor envía una señal diferencial mediante par trenzado apantallado. La interferencia afecta a ambas
líneas de forma similar y se cancela en el receptor diferencial del controlador. Además, las señales diferenciales suelen ser menos sensibles a compensaciones
de tierra.
Se puede generar una salida diferencial con un amplificador como el mostrado en la figura 3, usando etapas búfer de ganancia unitaria para baja impedancia
de salida y señales en oposición de fase.
Señales de voltaje
Las señales de voltaje se estandarizan típicamente en 0–5 V, 0–10 V o 0–12 V (siendo 0–5 V la más común). El transmisor debe tener baja impedancia de salida,
baja deriva térmica, baja deriva de offset y bajo ruido.
El voltaje en el receptor puede ser menor que el del transmisor si hay pérdidas resistivas en el cableado cuando el receptor consume corriente.
Figura 3. Amplificador diferencial con salidas búfer.Figura 4. Efecto de la resistencia y capacitancia del conductor en (a) señales de voltaje y (b) señales de corriente.
Señales de corriente
Las señales de corriente se estandarizan principalmente en 4–20 mA (donde 0 mA indica falla). El transmisor debe presentar alta impedancia de
salida para que la corriente no varíe con la carga, además de baja deriva térmica, bajo offset y bajo ruido.
La señal de corriente es poco sensible a variaciones normales de resistencia del cable una vez cargada la capacitancia de la línea. Una conexión diferencial,
nuevamente, reduce ruido y problemas de tierra.
Conversión de señales
Se requiere conversión entre señales de bajo nivel y señales de control de alta energía (motores y actuadores). Puede ser necesario convertir señales
eléctricas a neumáticas (control electroneumático) en ambientes peligrosos o donde la conversión a control eléctrico sea prohibitiva.
Figura 5. Conversión de señal: (a) amplificador de presión y (b) transductor de corriente a presión.
Estándares de transmisión
Las señales digitales pueden transmitirse por buses serie o paralelo, radio o fibra óptica sin pérdida de integridad. Pueden incluir códigos de corrección de
errores y suelen requerir menos energía que la transmisión analógica.
Entre estándares clásicos están IEEE-488 y RS-232. La fibra óptica permite alta velocidad a grandes distancias y no se ve
afectada por interferencia EMI/RF.
Figura 6. Bus de fibra óptica.Figura 7. Una red LAN típica.Figura 8. Sistema de control de procesos con entradas y salidas individuales para cada variable.
Instrumentación y redes
La conexión en red de hardware y software permite integrar múltiples sensores e instrumentos para intercambio de información, operaciones colaborativas y
compartición de recursos.
Las redes pueden ser cableadas, inalámbricas o híbridas. Las redes inalámbricas reducen costos de instalación y mantenimiento y soportan cada vez más datos,
además de voz.
Figura. Proceso de comunicación de dispositivos en red.
Soporte de software para sensores e instrumentos
El software describe programas, procedimientos y documentación en dispositivos digitales y sistemas informáticos. En instrumentación moderna, el soporte de
software suele dividirse en: (1) software del sistema, (2) software de programación y (3) software de aplicación.
Software de aplicación: herramientas de usuario (por ejemplo, hojas de cálculo y procesadores de texto).
Firmware: software almacenado permanentemente en memoria programable del hardware.
Middleware: coordina sistemas distribuidos.
Software de sistema: sistemas operativos (Linux, Microsoft Windows, etc.).
Páginas web: desarrolladas con tecnologías como HTML, Perl, JSP, XML, PHP.
Calibración
La relación entre la entrada física (variable medida) y la señal de salida para un sensor se conoce como calibración. Se calibra aplicando
una entrada conocida y registrando la salida; luego los datos se representan en una curva de calibración.
Figura. Ejemplo de curva de calibración de un instrumento.
En el ejemplo, la respuesta es lineal para entradas menores que X0. La sensibilidad está dada por la pendiente. Para entradas
mayores que X0, la curva se vuelve menos sensible hasta alcanzar un límite de salida: esto se denomina saturación.
El rango de entradas que el instrumento mide de forma confiable define su rango dinámico.
Figura. Entradas de interferencia.
Modificación e interferencia de entradas
La salida del sensor puede verse influida por variables distintas del mensurando. Si X es el mensurando deseado, Y una
entrada de interferencia y Z una entrada de modificación, la interferencia hace que la salida sea combinación de X e Y. Un ejemplo típico
de interferencia es una vibración estructural en un sistema de medición de fuerza.
Conceptos destacados :
sensor
(sensor). Dispositivo que responde a un fenómeno cambiante, entregando una señal asociada a la variable medida.
transducer
(transductor). Dispositivo que transfiere energía de una forma a otra, convirtiendo una variable física/química en una señal utilizable.
modifier transducer
(transductor modificador). Tipo de transductor que modifica una forma de energía sin cambiar su naturaleza; la energía de entrada y salida es del mismo tipo.
self-generating transducer
(transductor autogenerador). Produce una señal eléctrica a partir de una entrada no eléctrica sin requerir energía externa (ej.: piezoeléctrico, fotovoltaico).
modulating transducer
(transductor modulador). Genera una salida eléctrica desde una entrada no eléctrica, pero requiere una fuente externa de energía (ej.: galga extensométrica).
smart sensor
(sensor inteligente). Sensor con funciones adicionales de “inteligencia” (procesamiento, diagnóstico y comunicación) que entrega información más útil que la señal cruda.
self-identification
(autoidentificación). Capacidad de un sensor inteligente para reconocer y reportar su identidad, tipo o configuración al sistema de control.
self-test
(autocomprobación). Función por la cual el sensor verifica su estado y detecta fallas o desvíos sin intervención externa.
calibration curve
(curva de calibración). Relación gráfica o tabular entre la entrada física conocida y la señal de salida del sensor para ajustar y corregir mediciones.
A/D conversion
(conversión A/D). Proceso de convertir una señal analógica en datos digitales para procesamiento, registro y comunicación en sistemas de control.
instrumentation control signal
(señal de control). Señal que representa una variable o consigna y se transmite para supervisión, regulación o acción sobre un proceso industrial.
pneumatic signal transmission
(transmisión neumática de señales). Envío de información mediante presión de aire; se usa en instalaciones antiguas o ambientes con riesgo de ignición por chispas.
3–15 psi standard
(estándar 3 a 15 psi). Rango neumático típico (≈20–100 kPa) donde el mínimo no es cero para mejorar transmisión y permitir detectar fallas (0 psi).
signal transmitter
(transmisor). Dispositivo que toma señales eléctricas de bajo nivel y las acondiciona para enviarlas a un receptor distante sin perder precisión ni información.
offset
(valor inicial / desplazamiento de cero). Ajuste del extremo inferior del rango: la salida se configura para dar el mínimo cuando la entrada es mínima.
span
(intervalo de medida). Rango útil de la señal desde el mínimo hasta la escala completa; se ajusta para fijar el límite superior con la entrada máxima.
EMI
(interferencia electromagnética). Ruido inducido por motores, contactores u otras fuentes que puede alterar señales de instrumentación y producir errores.
RF pickup
(captación de radiofrecuencia). Interferencia por campos RF que se acopla al cableado y genera señales espurias o desviaciones en mediciones.
shielded twisted pair
(par trenzado apantallado). Cableado que reduce captación de EMI/RF; el trenzado y la pantalla mejoran la inmunidad al ruido en señales analógicas.
differential signaling
(señal diferencial). Técnica donde se transmiten dos señales opuestas; el receptor diferencial cancela ruido común y reduce problemas por lazos de tierra.
