2.2. Transducción de las principales magnitudes físicas

Conceptos fundamentales de transducción y medida

En los entornos industriales modernos, la automatización y el control de procesos dependen críticamente de la capacidad de monitorizar variables físicas del mundo real en tiempo real. Esta monitorización se realiza mediante la transducción. La transducción es el proceso físico-químico mediante el cual una forma de energía del entorno (térmica, mecánica, hidráulica, acústica o magnética) se convierte de manera predecible y proporcional en otra forma de energía, típicamente una señal eléctrica. El componente encargado de ejecutar esta transformación es el transductor, que a menudo integra un sensor como elemento primario de detección en contacto directo con el medio físico.

Históricamente, los sistemas de control industrial dependían de transmisiones mecánicas o neumáticas complejas (como las líneas de aire a presiones estandarizadas de 3 a 15 psi). La llegada de la electrónica de estado sólido revolucionó este campo, permitiendo el desarrollo de sensores semiconductores de tamaño microscópico, mayor fiabilidad y coste reducido. Hoy en día, la transducción no solo implica la mera conversión de la magnitud, sino también el procesamiento analógico de la señal (acondicionamiento) y, en muchos casos, su digitalización interna para interactuar con buses de campo industriales bajo protocolos avanzados de comunicación.

Clasificación y principios de funcionamiento

Los transductores se pueden clasificar según múltiples criterios técnicos. Atendiendo a la necesidad de alimentación externa, se dividen en transductores activos (generan su propia señal de salida a partir de la energía de la variable física medida, como un termopar o un cristal piezoeléctrico sometido a presión mecánica) y transductores pasivos (requieren una fuente de alimentación externa para poder modular su impedancia o conductividad, como una termorresistencia PT100 o un sensor de nivel capacitivo).

Desde el punto de vista del tipo de señal de salida, distinguimos los transductores analógicos (cuya salida varía de forma continua en el tiempo tomando infinitos valores teóricos dentro de un rango determinado) y los transductores digitales (que entregan una salida discreta en forma de trenes de pulsos, códigos binarios paralelos o tramas de datos serie). La correcta selección del tipo de transductor dependerá del tipo de tarjeta de entradas del autómata programable (PLC) al que se vaya a cablear el sensor dentro del armario eléctrico.

Señales normalizadas de instrumentación industrial

Para garantizar la interoperabilidad entre diferentes fabricantes de sensores, controladores y actuadores, la industria emplea rangos de señales normalizadas. Las dos más comunes son:

Lazo de corriente 4-20 mA DC: Es el estándar de oro en instrumentación industrial. Su principal ventaja radica en que la corriente es la misma en todo el lazo independientemente de la longitud de los cables y la caída de tensión en ellos (siempre que la fuente tenga suficiente tensión). Además, utilizar un mínimo de 4 mA en lugar de 0 mA ("cero vivo") permite diferenciar de forma inmediata un valor de medida nulo (4 mA) de una rotura física del cable de señal (0 mA), activando alarmas de seguridad en el PLC de inmediato.

Señales de tensión (0-10 V DC y 1-5 V DC): Son sencillas de medir directamente con conversores analógico-digitales sin necesidad de resistencias shunt externas. Sin embargo, son altamente vulnerables al ruido electromagnético ambiental introducido por motores o variadores de frecuencia adyacentes y sufren de atenuación y error debido a la resistencia óhmica inherente a los cables conductores largos de instrumentación.

Parámetros característicos de los transductores

Al seleccionar, calibrar o diagnosticar un transductor en el taller, es imprescindible interpretar sus parámetros técnicos según las hojas del fabricante y normas como la UNE-EN 60770:

• Sensibilidad ($S$): Relación entre el incremento de la señal eléctrica de salida y el incremento de la magnitud física de entrada. Matemáticamente: $S = \frac{\Delta V_{out}}{\Delta Variable}$.
• Rango (Range) y Alcance (Span): El rango define los límites inferior y superior de medida (ej. 0 a 100 °C), mientras que el span es la diferencia aritmética entre ellos (100 °C).
• Linealidad: Desviación máxima de la curva real del transductor respecto a una línea recta teórica ideal, expresada normalmente como porcentaje del span.
• Histéresis: Diferencia máxima detectada en la lectura de salida al medir un mismo punto físico dependiendo de si la variable se ha alcanzado mediante incrementos ascendentes o decrementos descendentes.

Interpolación lineal de escalas

Para que un sistema informático o un PLC interprete la señal eléctrica proveniente del transductor, se debe programar una ecuación de escala. La interpolación lineal mapea los valores analógicos extremos de la entrada del módulo ($E_{min}$ a $E_{max}$) a los valores físicos correspondientes de la magnitud medida ($S_{min}$ a $S_{max}$). La fórmula matemática básica empleada para este fin es:

$$S(t) = S_{min} + \frac{S_{max} - S_{min}}{E_{max} - E_{min}} \cdot (E(t) - E_{min})$$

Donde $E(t)$ representa la lectura de corriente o tensión actual y $S(t)$ representa el valor físico calculado (temperatura, presión, nivel, etc.).

# Script para interpolar el valor real de un sensor de temperatura

# con salida en corriente normalizada de 4-20 mA.

def calcular_valor_fisico(corriente_ma, val_min_fisico, val_max_fisico):

    """

    Calcula el valor físico correspondiente a una lectura de corriente en mA

    dentro del rango de escala configurado para el transductor.

    """

    if corriente_ma < 4.0 or corriente_ma > 20.0:

        print(f"💡 Alerta: Corriente fuera de rango normativo ({corriente_ma} mA).")

        if corriente_ma < 3.5:

             return "ERROR: Lazo de señal abierto o rotura de conductor"

    

    # Ecuación de la recta (interpolación lineal)

    valor_fisico = val_min_fisico + ((val_max_fisico - val_min_fisico) / (20.0 - 4.0)) * (corriente_ma - 4.0)

    return valor_fisico



# Simulación: Sensor de 0 a 150 °C leyendo 12.0 mA (mitad de escala)

temperatura = calcular_valor_fisico(corriente_ma=12.0, val_min_fisico=0.0, val_max_fisico=150.0)

print(f"?💡 Lectura física interpolada: {temperatura} °C")