1.8. Captores: Detectores, sensores y transmisores de medida

Introducción

Los captores son componentes esenciales en cualquier sistema de instrumentación industrial, pues permiten obtener información fiable sobre variables de proceso como presión, caudal, nivel o temperatura. El funcionamiento correcto de una planta depende en gran medida de la calidad y precisión de estos dispositivos, así como de su adecuada selección, instalación y mantenimiento. En esta lección, diferenciaremos entre detectores, sensores y transmisores, y estudiaremos los principios de funcionamiento de los más utilizados para presión, caudal, nivel y temperatura.

Detector, sensor y transmisor: diferencias clave

Para comprender su papel, es necesario diferenciar entre estos tres conceptos:

• Detector: Es el elemento encargado de percibir la presencia o ausencia de una determinada variable física, produciendo normalmente una señal todo/nada (por ejemplo, presencia de un objeto o nivel alcanzado). No proporciona una medida continua, sino un cambio de estado binario.
• Sensor: Convierte una magnitud física en una señal eléctrica, neumática u óptica proporcional. Por ejemplo, una termopar genera una tensión proporcional a la temperatura, pero esa señal es débil y no estandarizada.
• Transmisor: Recibe la señal del sensor, la acondiciona (amplifica, filtra, linealiza) y la estandariza, generando una señal de salida robusta (habitualmente 4-20 mA o 0-10 V) apta para ser interpretada por sistemas de control o supervisión a largas distancias.

Ejemplo práctico: En un sistema de medición de presión, un sensor piezorresistivo genera una variación de resistencia. El transmisor convierte esa variación en una corriente de 4-20 mA, donde 4 mA corresponde a 0 bar y 20 mA a 10 bar. Si solo se necesita detectar si la presión supera un umbral, se puede usar un detector de presión (presostato) que cierra un contacto eléctrico al alcanzar el valor crítico.

Ubicación, señal de salida y adaptación al entorno

La ubicación de estos dispositivos depende de la variable a medir y del proceso. Por lo general, el detector o sensor se sitúa en el punto exacto donde se desea realizar la medición (por ejemplo, en el interior de una tubería o tanque), mientras que el transmisor puede estar integrado en el mismo cuerpo (transmisor compacto) o instalado cercano, protegido de condiciones adversas (temperatura, vibraciones, atmósferas corrosivas).

La señal de salida varía según el tipo de captor:

• Detectores: Señales todo/nada (digitales), típicamente contactos secos (relé) o salidas PNP/NPN.
• Sensores: Señales analógicas débiles (mV, µV, variación de resistencia) que requieren acondicionamiento.
• Transmisores: Señales estandarizadas robustas (4-20 mA, 0-10 V, 0-5 V) que pueden transmitirse a largas distancias sin pérdidas significativas.

La adaptación al entorno implica seleccionar materiales y niveles de protección adecuados frente a temperatura, humedad, polvo, vibraciones o atmósferas explosivas. Los grados de protección IP (Ingress Protection) y las certificaciones ATEX para atmósferas explosivas son fundamentales en la selección de captores.

Ejemplo: Un transmisor de presión para una plataforma petrolífera debe tener certificación ATEX (protección contra explosiones) y un grado IP67 (totalmente protegido contra polvo e inmersión temporal).

Principios de funcionamiento de los dispositivos más utilizados

Presión

Los sensores de presión más comunes emplean el principio de deformación elástica de un elemento sensible (membrana, tubo Bourdon, cápsula) que, al recibir la presión, se deforma y transmite un desplazamiento a un elemento de medida. Los transductores piezorresistivos convierten esta deformación en una variación de resistencia eléctrica, que se traduce en una señal proporcional a la presión aplicada. Los transmisores de presión suelen integrar el sensor y un circuito electrónico que entrega una señal estándar (por ejemplo, 4-20 mA).

Ejemplo práctico 1: Un transmisor de presión industrial (rango 0-10 bar) con salida 4-20 mA se instala en una tubería. A 0 bar, la corriente es 4 mA; a 10 bar, 20 mA. El PLC lee la corriente y la convierte en presión.

Ejemplo práctico 2: Un presostato (detector) ajustado a 5 bar cierra un contacto cuando la presión supera ese valor, activando una alarma o parando una bomba.

Caudal

Los dispositivos para medir caudal pueden basarse en distintos principios:

• Diferencial de presión: Un elemento primario (placa de orificio, tubo Venturi) genera una caída de presión proporcional al caudal, la cual es detectada por un sensor diferencial.
• Magnético: En fluidos conductores, un campo magnético induce una tensión eléctrica proporcional a la velocidad del fluido.
• Ultrasónico: Miden el tiempo de tránsito o el efecto Doppler de ondas ultrasónicas a través del fluido.
• Turbina: Un rotor gira con el flujo; la frecuencia de pulsos es proporcional al caudal.

Ejemplo: Un caudalímetro electromagnético con salida 4-20 mA para agua potable (conductividad >5 µS/cm) instalado en una tubería de DN100, rango 0-200 m³/h.

Nivel

Los medidores de nivel pueden ser:

• Conductivos: Detectan la presencia de líquido mediante la conductividad eléctrica. Se usan como detectores de nivel puntual.
• Capacitivos: Cambios en el nivel modifican la capacitancia entre dos electrodos.
• Ultrasónicos y radar: Miden el tiempo de vuelo de una onda reflejada. Ideales para líquidos y sólidos.
• Hidrostáticos: Emplean sensores de presión para medir la columna de líquido (presión = ρ·g·h).

Ejemplo: Un transmisor de nivel hidrostático sumergible (rango 0-5 m.c.a.) con salida 4-20 mA para medir el nivel en un pozo profundo.

Temperatura

Los sensores más utilizados son:

• Termopares: Dos metales distintos generan una tensión proporcional a la temperatura (efecto Seebeck). Ejemplo: tipo K (NiCr-NiAl), rango -200°C a 1260°C, exactitud ±1.5°C.
• RTD (Resistance Temperature Detector): La resistencia de un metal (usualmente platino) varía con la temperatura. Ejemplo: PT100, 100Ω a 0°C, rango -200°C a 600°C, exactitud ±0.1°C.
• Termistores: Semiconductores cuya resistencia cambia notablemente con la temperatura, pero con rango limitado.

Ejemplo: Un transmisor de temperatura con sonda PT100 y salida 4-20 mA para un horno, con rango 0-200°C.