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.