Introducción a Interruptores y Sensores en Ingeniería Electromecánica
En el ámbito de la ingeniería electromecánica y los sistemas de control, los interruptores y sensores son componentes fundamentales. Estos dispositivos permiten la interacción entre el mundo físico y los circuitos eléctricos, posibilitando la automatización, el monitoreo y el control preciso de una vasta gama de procesos industriales y residenciales. A continuación, exploraremos sus definiciones, tipos, principios de funcionamiento y los criterios clave para su correcta selección.
1. Interruptores Eléctricos: Fundamentos y Tipos
1.1. ¿Qué es un Interruptor?
Un interruptor es un dispositivo eléctrico diseñado para abrir o cerrar un circuito, controlando así el flujo de corriente. Estos elementos pueden ser mecánicos, electrónicos o electromecánicos, y se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones, desde el hogar hasta complejos circuitos en diversas industrias.
Cuando el interruptor está en la posición “abierto”, interrumpe el paso de la corriente. Por el contrario, cuando está en la posición “cerrado”, permite que la corriente fluya a través del circuito.
1.2. Tipos Específicos de Interruptores
1.2.1. Interruptor de Presión (Presostato)
Un interruptor de presión, también conocido como presostato o switch de presión, se utiliza para controlar un circuito eléctrico basándose en la presión de un fluido (líquido o gas) dentro de un sistema. Activa o desactiva el circuito cuando se alcanza un nivel de presión preestablecido.
Los interruptores de presión son comunes en diversas aplicaciones industriales y residenciales, como sistemas de bombas de pozos y hornos.
Funcionamiento de un Interruptor de Presión
Primero, se debe regular el presostato a la presión deseada para su activación. Esta regulación se realiza mediante un tornillo, generalmente ubicado en la parte superior; la cantidad de vueltas ajusta la presión ejercida sobre el muelle interno, variando según el fabricante.
Un diafragma o pistón dentro del interruptor está en contacto con el medio (líquido o gas). El fluido ejerce una presión que, al igualar la presión del muelle, cierra los contactos del equipo. De manera inversa, cuando la presión del fluido cae por debajo de la presión del muelle, los contactos se abren.
1.2.2. Interruptor de Nivel
Los interruptores de nivel son instrumentos de medición utilizados principalmente para detectar el nivel de llenado de productos almacenados en tanques y otros depósitos. Son dispositivos de tipo on/off que alternan entre dos posiciones: una para abrir y otra para cerrar el circuito.
Estos interruptores controlan dispositivos como bombas (para llenar o vaciar), válvulas (para abrir o cerrar entradas/salidas) o alarmas para notificar a los usuarios.
1.2.3. Interruptor de Temperatura (Termostato)
También conocidos como termostatos o interruptores térmicos, son dispositivos diseñados para controlar circuitos eléctricos en función de la temperatura ambiente o de un proceso.
1.2.4. Interruptor de Flujo (Flujostato)
La función principal de un interruptor de flujo o flujostato es activar o desactivar un circuito eléctrico cuando se detecta un cambio en el flujo de un fluido, ya sea que este alcance, supere o caiga por debajo de un umbral específico. Funcionan mediante la detección física o térmica del movimiento de fluidos en una tubería o conducto.
1.2.5. Interruptor de Límite
Un interruptor de límite es un dispositivo electromecánico que detecta la presencia o ausencia de un objeto físico dentro de un rango específico y, basándose en esta detección, activa o desactiva un circuito eléctrico. Son fundamentales para convertir el movimiento mecánico en señales eléctricas, permitiendo el control y monitoreo de maquinaria y procesos industriales.
Componentes de un Interruptor de Límite
- Actuador: La parte que entra en contacto con el objeto.
- Mecanismo interno de conmutación: Cambia el estado de los contactos eléctricos.
- Carcasa y conectores: Protegen los componentes internos y facilitan la conexión.
2. Principios de Transducción: La Conversión de Energía en Señales Eléctricas
2.1. ¿Qué es la Transducción?
La transducción es el proceso de conversión de una forma de energía en otra. En el contexto de los controles eléctricos, se refiere específicamente a la conversión de magnitudes físicas (como presión, temperatura, flujo, etc.) en señales eléctricas que pueden ser procesadas y utilizadas por sistemas de control.
2.2. Importancia de la Transducción en Controles Eléctricos
- Medición: Permite medir magnitudes físicas que son difíciles de cuantificar directamente.
- Automatización: Facilita la creación de sistemas automáticos al convertir datos físicos en información procesable.
- Monitoreo: Posibilita la vigilancia continua del estado de equipos y procesos.
2.3. Principios Físicos de Transducción Comunes
- Piezoeléctrico
- Capacitivo
- Termoeléctrico
- Electromagnético
- Resistivo
- Fotoeléctrico
2.4. Parámetros Clave de Funcionamiento de los Transductores
- Exactitud
- Precisión
- Velocidad de respuesta
- Estabilidad
- Histéresis
3. Sensores: Detección y Medición de Magnitudes Físicas
3.1. Sensores de Presión
Los sensores de presión detectan y miden la fuerza ejercida por un fluido (líquido o gas) sobre una superficie. Convierten esta presión en una señal eléctrica proporcional.
- Resistivos: Varían su resistencia eléctrica con la deformación causada por la presión.
- Capacitivos: La capacitancia entre placas varía con la distancia, afectada por la presión.
- Piezoeléctricos: Generan una carga eléctrica al aplicar presión.
3.2. Sensores de Flujo (Caudal)
El caudal puede definirse como masa por unidad de tiempo (Qm) o volumen por unidad de tiempo (Qv). Los sensores de flujo miden esta magnitud.
Tipos de Sensores de Flujo:
- Medidores por efecto Venturi.
- Medidores por presión dinámica.
- Medidores por velocidad (inducción electromagnética).
- Medidores volumétricos por turbina.
3.3. Sensores de Temperatura
Los sensores de temperatura miden el grado de calor o frío de un cuerpo o ambiente, convirtiéndolo en una señal eléctrica.
Tipos de Sensores de Temperatura:
- Termostatos: Ofrecen una salida de tipo todo/nada (on/off) al alcanzar una temperatura preestablecida.
- Termorresistencias (RTD): Dispositivos cuya resistencia eléctrica varía de manera predecible con la temperatura.
- Pirómetros de radiación: Miden la temperatura sin contacto, basándose en la ley de Stefan-Boltzmann (radiación infrarroja).
3.4. Sensores de Nivel
Los sensores de nivel determinan la altura o cantidad de una sustancia (líquido, sólido granular) en un recipiente.
Tipos de Detección de Nivel:
- Detección de nivel discreto (todo/nada).
- Detección de nivel continuo (analógica, proporcional al nivel).
Métodos de Detección de Nivel:
- Todo/nada: Flotadores, electrodos, fotoeléctricos, capacitivos.
- Presión: Miden la presión hidrostática en el fondo del depósito.
- Flotador: Con palancas y sensores de desplazamiento.
- Ultrasónicos: Miden la distancia al nivel mediante ondas de ultrasonido.
3.5. Otros Tipos de Sensores Relevantes
3.5.1. Sensores de Peso
Basados en la variación de resistencia eléctrica (celdas de carga) que se deforman bajo el peso.
3.5.2. Sensores de Velocidad
- Efecto Hall
- Tacogeneradores
- Encoders
- Efecto Doppler
3.5.3. Sensores de Conductividad
Miden la capacidad de un líquido (o semisólido/viscoso) para conducir electricidad, indicando la concentración de iones.
3.5.4. Sensores de pH
Basados en electrodos de pH y un amplificador, miden la acidez o basicidad de una solución en una escala de 0 a 14.
4. Criterios para la Selección Óptima de un Sensor
La elección adecuada de un sensor es crucial para el éxito de cualquier sistema de control. Se deben considerar los siguientes criterios:
- Tipo de medición requerida (presión, temperatura, nivel, etc.).
- Rango de medición y exactitud necesaria.
- Velocidad de respuesta y confiabilidad operativa.
- Condiciones ambientales de operación (temperatura, humedad, vibración, agentes químicos).
- Tipo de salida del sensor y requisitos de acondicionamiento de señal.
- Costo y facilidad de instalación y mantenimiento.