Sensores para automatización y control
Una galga sola en un puente confunde 20 °C de calentamiento con 100 microdeformaciones. Con dos o cuatro galgas en brazos adyacentes, la temperatura se cancela y la señal se duplica o cuadruplica.
01Sensores de presencia y posición
Un sistema de automatización necesita saber dónde están las piezas y los mecanismos. Los sensores de presencia dan una salida binaria; los de posición, un valor:
| Sensor | Principio | Detecta |
|---|---|---|
| Final de carrera | Contacto mecánico | Cualquier objeto que lo accione |
| Inductivo | Un oscilador pierde energía por corrientes parásitas en el objetivo | Metales, a pocos milímetros |
| Capacitivo | El objeto cambia la capacidad de un electrodo | Casi cualquier material, incluso líquidos a través de un recipiente |
| Óptico | Barrera, reflexión en un espejo o en el objeto | Objetos a distancias de metros |
| Ultrasónico | Tiempo de vuelo de un pulso | Distancia, nivel, objetos transparentes |
| Codificador (encoder) | Disco óptico o magnético con marcas | Posición angular y velocidad |
Los sensores industriales de tres hilos tienen salida PNP, que conecta la carga al positivo, o NPN, que la conecta a masa; hay que elegir la que corresponde a la entrada del controlador. Un codificador incremental entrega dos canales en cuadratura, A y B, que dan la posición contando pulsos y el sentido por cuál adelanta; se pierde al cortar la alimentación. Un codificador absoluto entrega un código, muchas veces Gray, que identifica cada posición.
02Temperatura, fuerza y presión
Las termocuplas generan unos microvoltios por grado entre dos metales distintos, unos 41 μV/K en la de tipo K, y necesitan compensar la temperatura de la junta fría. Las termorresistencias de platino, como la Pt100, tienen 100 Ω a 0 °C y un coeficiente de 0,00385 por grado según IEC 60751; se conectan a tres o cuatro hilos para no medir la resistencia de los cables. La fuerza, el peso y la presión se miden casi siempre con galgas extensométricas: una pista metálica sobre una base aislante, pegada a la pieza, que cambia de resistencia al deformarse:
03El puente de galgas
En un puente de Wheatstone alimentado con \( V_{ex} \), una galga activa en un brazo (cuarto de puente) da una salida alineal y no distingue la deformación del calentamiento, porque la galga cambia de resistencia con la temperatura. Con dos galgas en brazos adyacentes que se deforman en sentidos opuestos, como las dos caras de una viga en flexión (medio puente), la salida se duplica, es lineal y el efecto de la temperatura se cancela. Con cuatro (puente completo), se cuadruplica:
Galgas de GF = 2 en un puente alimentado con 5 V, con una salida térmica aparente de 5 μm/m por grado. Se mide la deformación dividiendo la salida por \( k V_{ex} GF \). La curva azul es la configuración elegida; la gris, la recta ideal.
04Las interfaces industriales
El lazo de corriente de 4 a 20 mA transmite una medición analógica por dos hilos a cientos de metros: la corriente no depende de la resistencia del cable, el mismo lazo alimenta al transmisor, y el cero vivo de 4 mA permite detectar un cable cortado, que da 0 mA. El protocolo HART superpone datos digitales sobre ese lazo. IO-Link (IEC 61131-9) conecta sensores y actuadores con comunicación punto a punto por el mismo cable de tres hilos, que permite configurarlos y diagnosticarlos. La conexión de estos sensores a los controladores se trata en introducción al control y en las materias de control.
05En el laboratorio
Pegar galgas en las dos caras de una viga en voladizo, cargarla con pesas conocidas y comparar cuarto y medio puente, antes y después de calentarla con aire.
Medir la distancia de conmutación de un sensor inductivo con objetivos de acero, aluminio y bronce, y comparar con los factores de reducción de la hoja de datos.
Armar un lazo con un transmisor, una fuente de 24 V y una resistencia de 250 Ω, y medir la tensión en la entrada para todo el rango.
06Errores frecuentes
- Medir con una sola galga sin compensación. La temperatura aparece como deformación.
- Conectar un sensor PNP a una entrada que espera NPN. La entrada nunca ve el cambio.
- Conectar una Pt100 a dos hilos con un cable largo. La resistencia del cable se suma como temperatura.
- Leer 0 mA como el mínimo de la escala. En un lazo de 4 a 20 mA es un cable cortado.
07Autoevaluación
¿Qué salida da un puente completo con GF = 2, 5 V y 1000 μm/m?
10 mV.
¿Y un cuarto de puente?
Unos 2,5 mV, algo menos por la alinealidad: 2,4975 mV.
¿Por qué el medio puente compensa la temperatura?
Las dos galgas cambian igual con la temperatura y están en brazos adyacentes, donde los cambios iguales se cancelan.
¿Qué corriente corresponde al 50 % de la escala en un lazo de 4 a 20 mA?
12 mA.
08Para ampliar
- Ramón Pallás Areny. Sensores y acondicionadores de señal. 4.ª ed., Marcombo, 2003. Las galgas, los puentes y los sensores de posición.
- Jacob Fraden. Handbook of Modern Sensors. 5.ª ed., Springer, 2016. La física y la aplicación de cada familia de sensores.
- Antonio Creus Solé. Instrumentación industrial. 8.ª ed., Marcombo, 2010. Los transmisores, el lazo de 4 a 20 mA y los sensores de la industria de procesos.