TRANSDUCTORES ELÉCTRICOS
lunes, 19 de agosto de 2013
miércoles, 31 de julio de 2013
Definición de Transductores Eléctricos
Es
un elemento o dispositivo que tiene la misión de traducir o adaptar un tipo de
energía en otro más adecuado para el sistema, es decir convierte una magnitud
física, no interpretable por el sistema, en otra variable interpretable por
dicho sistema.
GENERALIDADES
DE UN TRANSDUCTOR
·
El transductor transforma la señal que entrega
el sensor en otra normalmente de tipo eléctrico.
·
El transductor suele incluir al sensor.
Tipos de
Transductores Eléctricos
·
TRANSDUCTORES DE PRESIÓN Y FLUJO.
·
TRANSDUCTORES DE TEMPERATURA Y
HUMEDAD.
·
TRANSDUCTORES DE SONIDO.
·
TRANSDUCTORES LUMINOSOS.
·
OTROS.
TRANSDUCTORES DE PRESIÓN
Generalidades
Los
transductores de presión son sensores que transforman la presión de un medio en
señal eléctrica para su posterior análisis. La medición de la presión puede
realizarse empleando diversos principios físicos, algunos de ellos son:
·
Bombardeo molecular sobre lámina muy fina.
·
Chips sensores de presión.
·
Acelerómetros de tecnología integrada.
·
Tecnología integrada piezoresistiva.
Tipos de
Transductores de presión
A. Transductores
capacitivos
• Amplio rango
de medida: 10-3 Pa – 108 Pa
• Alta precisión
0.1%
• Alta
resistencia (temperatura, vibraciones, etc.)
•
Precio elevado.
B. Transductores
piezoresistivos
• Utilizan
materiales piezoresistivos (su resistencia eléctrica varía con la presión)
•
El material más utilizado es el silicio (transductor integrado en un chip)
• Son los más
utilizados (80% del mercado)
• El silicio es
el material piezo resistivo más utilizado por su alta elasticidad y coeficiente
piezoresistivo
• Necesidad de
corrección de la medida por temperatura
• Amplio rango de
medida: 103 Pa – 108 Pa
• Alta precisión
0.1% (0.5% real)
•
Precio reducido
TRANSDUCTORES DE FLUJO
Los medidores de flujo datan desde los años 1.800, como el Tubo
Vénturi, donde su creador luego de muchos cálculos y pruebas logró diseñar un
tubo para medir el gasto de un fluido, es decir la cantidad de flujo por unidad
de tiempo. Principalmente su función se basó en esto, y luego con posteriores
investigaciones para aprovechar las condiciones que presentaba el mismo, se
llegaron a encontrar nuevas aplicaciones como la de crear vacío a través de la
caída de presión.
Luego a través de los años se crearon aparatos como los rotámetros
y los flujómetros que en la actualidad cuenta con la mayor tecnología para ser
más precisos en la medición del flujo.
También tener siempre presente la selección del tipo de
medidor, como los factores comerciales, económicos, para el tipo de necesidad
que se tiene etc.
El principio básico de estos medidores es que cuando una
corriente de fluido se restringe, su presión disminuye por una cantidad que
depende de la velocidad de flujo a través de la restricción, por lo tanto la
diferencia de presión entre los puntos antes y después de la restricción puede
utilizarse para indicar la velocidad del flujo.
Los tipos más comunes de medidores de cabeza variable son
el tubo venturi, la placa orificio y el tubo de flujo.
El Tubo de Venturi fue creado por el físico einventor
italiano Giovanni Battista Venturi(1.746 – 1.822). Fue profesor en Módena
yPavía. En Paris y Berna, ciudades dondevivió mucho tiempo. Según él este era
undispositivo para medir el gasto de un fluido,es decir, la cantidad de flujo
por unidad detiempo, a partir de una diferencia de presiónentre el lugar por
donde entra la corriente yel punto, calibrable, de mínima sección deltubo, en
donde su parte ancha final actúacomo difusor.El Tubo de Venturi es un
dispositivo queorigina una pérdida de presión al pasar porél un fluido. En
esencia, éste es una tuberíacorta recta, o garganta, entre dos tramoscónicos.
La presión varía en la proximidadde la sección estrecha; así, al colocar
unmanómetro o instrumento registrador en lagarganta se puede medir la caída
depresión y calcular el caudal instantáneo.
TRANSDUCTORES
DE TEMPERATURA
Es fácil realizar medidas de la temperatura con un
sistema de adquisición de datos, pero la realización de medidas de temperatura exactas
y repetibles no es tan fácil.
La temperatura es un factor de medida engañoso
debido a su simplicidad. A menudo pensamos en ella como un simple número, pero
en realidad es una estructura estadística cuya exactitud y repetitividad pueden
verse afectadas por la masa térmica, el tiempo de medida, el ruido eléctrico y
los algoritmos de medida. Esta dificultad se puso claramente de manifiesto en
el año 1990, cuando el comité encargado de revisar la Escala Práctica
Internacional de Temperaturas ajustó la definición de una temperatura de
referencia casi una décima de grado centígrado. (Imaginemos lo que ocurriría si
descubriéramos que a toda medida que obtenemos normalmente le falta una décima
de amperio.)
Dicho de otra forma, la temperatura es difícil de
medir con exactitud aún en circunstancias óptimas, y en las condiciones de
prueba en entornos reales es aún más difícil. Entendiendo las ventajas y los
inconvenientes de los diversos enfoques que existen para medir la temperatura,
resultará más fácil evitar los problemas y obtener mejores resultados.
En el siguiente informe se comparan los cuatro
tipos más corrientes de transductores de temperatura que se usan en los
sistemas de adquisición de datos: detectores de temperatura de resistencia
(RTD), termistores, sensores de IC y termopares. La elección de los
transductores de temperatura adecuados y su correcta utilización puede marcar
la diferencia entre unos resultados equívocos y unas cifras fiables. Los
termopares son los sensores más utilizados pero normalmente se usan mal. Por
eso vamos a dedicar una atención especial a estos dispositivos.
Una vez conocido la forma en que operan cada tipo de
transductor de temperatura se analizaran las especificaciones técnicas de los
mismos (de manera comercial) para determinar cuales son los factores más
importantes a considerar para la elección de los mismos.
Los transductores
eléctricos de temperatura utilizan diversos fenómenos que son influidos por la
temperatura y entre los cuales figuran:
·
Variación de resistencia en un conductor (sondas
de resistencia).
- Variación de resistencia de
un semiconductor (termistores).
- f.e.m. creada en la unión de
dos metales distintos (termopares).
- Intensidad de la radiación
total emitida por el cuerpo (pirómetros de radiación).
- Otros fenómenos utilizados
en laboratorio (velocidad del sonido en un gas, frecuencia de resonancia
de un cristal, etc.).
Tipos De Transductores De
Temperatura
Termómetros de Resistencia
La medida de
temperatura utilizando sondas de resistencia depende de las características de
resistencia en función de la temperatura que son propias del elemento de
detección.
Detectores de temperatura de resistencia
El detector de temperatura de resistencia
(RTD) se
basa en el principio según el cual la resistencia de todos los metales depende
de la temperatura. La elección del platino en los RTD de la máxima calidad
permite realizar medidas más exactas y estables hasta una temperatura de
aproximadamente 500 ºC. Los RTD más económicos utilizan níquel o aleaciones de
níquel, pero no son tan estables ni lineales como los que emplean platino.
Detectores de temperatura de resistencia
El detector de temperatura de resistencia
(RTD) se
basa en el principio según el cual la resistencia de todos los metales depende
de la temperatura. La elección del platino en los RTD de la máxima calidad
permite realizar medidas más exactas y estables hasta una temperatura de
aproximadamente 500 ºC. Los RTD más económicos utilizan níquel o aleaciones de
níquel, pero no son tan estables ni lineales como los que emplean platino.
Termistores
Los Termistores
son semiconductores electrónicos con un coeficiente de temperatura de
resistencia negativo de valor elevado y que presentan una curva característica
lineal tensión-corriente siempre que la temperatura se mantenga constante.
Sensores de IC
Los sensores de
circuitos integrados resuelven el problema de la linealidad y ofrecen altos
niveles de rendimiento. Son, además, relativamente económicos y bastante
precisos a temperatura ambiente.
Termopares
Los termopares se
utilizan extensamente, ya que ofrecen una gama de temperaturas mucho más amplia
y una construcción más robusta que otros tipos. Además, no precisan
alimentación de ningún tipo y su reducido precio los convierte en una opción
muy atractiva para grandes sistemas de adquisición de datos. Sin embargo, para
superar algunos de los inconvenientes inherentes a los termopares y obtener
resultados de calidad, es importante entender la naturaleza de estos
dispositivos.
TRANSDUCTORES DE HUMEDAD
Los transductores de humedad se usan
en aquellos lugares donde es necesaria una
precisad de la humedad del aire.
Por ejemplo, los transductores de
humedades se usan en laboratorios en conexión con un regulador para mantener
una humedad constante en el laboratorio.
Los transductores de humedad se usan
también cada vez más en los sectores de calefacción, ventilación y
climatización, o en cualquier otro proceso de producción donde es necesario
controlar la humedad del aire. Los transductores se suelen conectar a una
unidad de control separada.
Los transductores de humedad
convierten la magnitud física de humedad del aire en una señal normalizada, que
la transfiere a un sistema de control. Esto permite por ejemplo generar una
alarma o apagar un sistema de ventilación al superar un valor máximo o mínimo
predefinido
TRANSDUCTORES
DE SONIDO
El sonidos y la vibración están
conectados en el sentido de que un sonido esta asociado con una vibración
mecánica
Muchos sonidos
son causados por la vibración de sólidos o gases y el efecto de un sonido sobre
un oyente es la vibración del tímpano
La onda del
sonido es una forma de onda causada por una vibración
Las vibraciones
mecánicas no necesitan necesariamente causar alguna onda de sonido, porque una
onda de sonidos necesita un medio para vibrar, por lo que no hay transmisión
del sonido en el vacío
Cuando un
sonido es transmitido, los parámetros de la onda son la velocidad la longitud
de onda y la frecuencia. La frecuencia y la forma de onda están determinadas
por la frecuencia y la forma de onda de la vibración que causa la onda del
sonido pero la velocidad y la longitud de onda son dependientes del medio
que lleva la onda de sonido
La relación de la
velocidad, longitud de onda y frecuencia es v= l.f
La
percepción del sonido por la oído es un trabajo mucho mas complicado
El oído tiene una
respuesta no lineal y una sensibilidad que varia muy notablemente con la
frecuencia del sonido
El rango de
frecuencias sobre las cuales el sonido puede ser detectado por el oído humano
esta limitado en el rango de 20Hz a 20KHz
El limite
inferior esta determinado por el efecto de filtrado del sonido de los tejidos
del oído y la anulación de los efectos desagradables de las vibraciones de baja
frecuencia que existe a nuestro alrededor
Pero sin
embargo los transductores no necesariamente se restringen a esos límites de
frecuencias, en algunos casos puede ser usado con infrasonidos (muy bajas
frecuencias) o con ultrasonidos (muy altas frecuencias)
Las ondas
de acústica de hecho pueden hacer uso de frecuencias en el rango de los MHz
El efecto
de una onda de sonido sobre un material es la vibración de ese material y de
acuerdo a esta vibración cada parte del material puede ser acelerado
La aceleración
esta en direcciones alternativas y no hay desplazamiento en peso del material
pero una salida eléctrica puede ser obtenida desde un acelerómetro conectado al
material.
Lo
sensores y transductores para sonido son eléctricamente de la misma forma que
los sensores y transductores para aceleración y velocidad y la principal
diferencia son los caminos en los cuales los sensores y transductores son
usados.
El Audio En Transductores Eléctricos
El sonido en
transductores de energía eléctrica es el micrófono, y los tipos de micrófonos
son clasificados por el tipo de transductor que usan. Sin embargo el micrófono
se usará como filtrado acústico, entradas cuyas ondas y dimensiones modifican
la respuesta del sistema. Se necesitan porque cada transductor tendrá su propia
respuesta que esta determinada por resonancias en los materiales. Este tipo de
compensación es preferible a usar métodos eléctricos, porque los filtros
acústicos pueden tener muchos efectos estafadores con menos impacto en el resto
del rango de frecuencias.
Las
características de un micrófono son ambas acústicas y eléctricas. Por otro lado
la impedancia de un micrófono tiene una importancia considerable. Un micrófono
con alta impedancia normalmente tiene una salida eléctrica bastante alta, pero
la alta impedancia lo hace muy susceptible a un zumbido o
acoplamiento magnético o eléctrico Una baja impedancia esta normalmente
asociada con una salida muy baja pero el zumbido es casi despreciable.
Otro
factor de importancia es si el micrófono es direccional o omnidireccional
Si el principio de operación del
micrófono es por sensibilidad de presión de la onda de sonido, luego el
micrófono será omnidireccional, llegando el sonido desde cualquier dirección. Si
el micrófono responde a la velocidad de la onda de sonido entonces es un
micrófono direccional y la sensibilidad tiene que ser medida en términos de
dirección como amplitud de la onda de sonido
Los tipos de micrófono son conocidos
como de presión o de velocidad, omnidireccionales o direccionales. El tipo de
transductor no necesariamente determina el principio de operación como
velocidad o presión, porque la construcción acústica del micrófono es normalmente
a factor más importante.
Tipos de Transductores de Sonido
Transductores De Electricidad A Audio
Los auriculares
fueron usados para los telégrafos eléctricos en los cuales el transmisor
consistía en el código Morse, por lo que el auricular precedió al micrófono un
número considerable de años.
El Transductor
Moving-Iron
Los primeros
auriculares eran del tipo moving-iron, estos utilizan un diafragma el cual esta
hecho de hierro (o una aleación magnética) y que se mueve por la atracción o
repulsión del núcleo a la vez que la corriente fluye por una bobina fija (como
se puede en la figura). Esta bobina se encarga del correcto movimiento del
diafragma.
El Transductor
Moving-Coil
La mayoría de los
altavoces utilizan el principio de los moving-coil. El principio moving-coil se
caracteriza por tener una buena linealidad, una resonancia controlable ya que
la vibración es muy pequeña y también se caracterizan por su ligereza ya que la
unidad moving-coil puede utilizar un diafragma de cualquier tipo de material.
Transductores
Capacitivos
La posibilidad de
hacer auriculares o altavoces cerca
del área de trabajo de un micrófono capacitivo ha existido desde hace
mucho tiempo, pero las dificultades prácticas han sido resueltas por
medio de solo dos diseños, el Quad y los altavoces electrostáticos de amplio
rango Magna-Planar. El principal problema era que el uso de un diseño de un
solo término, parecido a un micrófono capacitivo, suministraba una pobre
linealidad.
Transductores De Ultrasonidos
Aunque los altavoces y los micrófonos
utilizan principios operativos similares, las diferencias entre recibir una
onda sonora y generarla es suficiente para no utilizarlos el uno por el
otro. Un altavoz puede ser usado como micrófono, pero como un micrófono
de baja calidad e insensible. Un micrófono puede ser usado como un auricular
con cierto éxito, pero no puede ser usado como un altavoz porque no está
diseñado para manejar la cantidad de energía que un altavoz necesita
TRANSDUCTORES
LUMINOSOS.
Los
transductores de luz se usan en aquellos lugares donde por ejemplo es necesario activar una fuente
luminosa artificial cuando disminuye la intensidad de luz diurna.
Los
transductores de luz captan la intensidad luminosa y la convierten en una señal
eléctrica para que un controlador pueda trabajar los valores de medición.
Esto
permite por ejemplo que una nave de producción mantenga la misma claridad, lo
que asegura que las condiciones del puesto de trabajo sean iguales. En conexión
con un registrador de datos puede almacenar los valores de luminosidad a través
de un periodo de tiempo, lo que permite por ejemplo determinar las horas de luz
solar.
Tipos de Transductores luminosos
La naturaleza electromagnética de la luz fue
demostrada teóricamente por Maxwell quien encontró que los campos eléctrico y
magnético cumplían una ecuación de ondas cuya velocidad de propagación
coincidía numéricamente con la velocidad de la luz medida en varios
experimentos.
Si se tiene una
hilera de partículas y la primera de ellas empieza una movimiento armónico simple,
las partículas siguientes realizan también este m.a.s. La propagación de un
m.a.s. a lo largo de una hilera de partículas se denomina onda o movimiento
ondulatorio. La ecuación de una onda es:
y = A cos (wt - wx/v)
= A cos(wt - kx)
En una onda se
cumplen las siguientes expresiones
w=2pf;
k=2p/l; k=w/v; v=l/T=lf (4.11)
donde w = pulsación de la onda; f = frecuencia; l = longitud
de onda; T = período; v = velocidad de propagación
OTROS TIPOS DE TRANSDUCTORES
TRANSDUCTORES
DE CONDUCTIVIDAD
Para medir la
conductividad de una disolución se emplea la celda de conductividades, que consiste
en un par de electrodos plano-paralelos de Platino separados una cierta
distancia.
Cuando se conecta
una fuente de tensión externa a los electrodos y se sumerge la celda en una
disolución iónica, los iones se mueven debido al campo eléctrico que existe
entre los electrodos. Si la fuente de tensión es de corriente continua, los
iones que van llegando a los electrodos absorben o ceden electrones y se produce
el fenómeno de electrolísis.
Sin embargo, si
se está interesado solo en el fenómeno del movimiento de los electrones por la
disolución, el fenómeno de electrolísis es un efecto contraproducente. Por ello
se escoge una fuente de tensión de corriente alterna para que los iones no tengan
tiempo de intercambiar electrones con los electrodos, y la disolución se
comporta como un medio conductor, con una conductividad dada, en cuyo interior
se mueven los iones. Dicho conductor tendrá una resistencia eléctrica por lo
que la celda es un transductor que transforma la conductividad de la disolución
en resistencia eléctrica.
TRANSDUCTORES
ELECTROQUÍMICOS
Electrodos. Se denomina
electrodo o semipila al sistema formado por un elemento químico o algún compuesto
de este elemento y agua pura o alguna disolución acuosa de otro compuesto del
mismo elemento químico, de modo que espontáneamente el elemento químico sufre
una oxidación o una reducción. Ejemplos típicos de electrolitos pueden ser:
·
Una barra de Zn sumergida en agua pura o en
disolución de SO4Zn. En este electrodo, el Zn metálico se oxida y se disuelve
en el agua. Los electrones que pierde el Zn se quedan en el conductor.
·
Una barra de cobre sumergida en disolución de
SO4Cu. En este electrodo los iones Cu de la disolución se reducen y se
incorporan al Cu metálico. Los electrones que necesita el ión Cu los toma del
Cu metálico.
·
Cloro gaseoso que se hace burbujear en una
disolución de cloruro. En este electrodo los iones cloruro se oxidan y pasan a
forma gaseosa. Los electrones que desprende el ión cloro se pueden recoger en
una barra sólida de un metal noble para que no intervenga en la reacción de
oxidación.
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