Anexo 1: Transductores · Web viewAnexo 1: Transductores. Un transductor consiste en un dispositivo...

DEPARTAMENTO DE ELECTRONICA LABORATORIO DE ELECTRONICA B.

Anexo 1: Transductores.

Un transductor consiste en un dispositivo que absorbe energía de un sistema y que la cede a otro, por lo general en otra forma diferente de energía. La justificación de estos transductores es que se hace necesario transformar una determinada magnitud física en una magnitud eléctrica (tensión, corriente, resistencia, etc.). De esta forma es posible distinguir diferentes tipos de transductores:

- Transductor de Fuerza.- Transductor de Presión.- Transductor de Aceleración y Velocidad.- Transductor de Nivel.- Transductor de Caudal.- Transductor de Temperatura.- Transductor de Luz.

Algunos conceptos relacionados con estos dispositivos:

- Campo de medición: corresponde al margen entre los valores mínimo y máximo de la magnitud física medida por el transductor.

- El valor de F.S.O. (“Full Scale Output”): corresponde al valor de fondo de escala, y es la diferencia entre las tensiones de salida del transductor, correspondientes a los valores límites del campo de medición.

- Constante de proporcionalidad: es la relación que existe entre el valor de salida y el correspondiente valor de la magnitud de entrada.

- Error de linealidad: es el desplazamiento de la constante de proporcionalidad entre el valor de entrada y el de salida. Éste se expresa en porcentaje del valor máximo de salida.

- Precisión: se conoce también como error de medición, y corresponde al margen máximo entre el valor medido y el real; se expresa en porcentaje del valor del fondo de escala.

- Velocidad de respuesta: corresponde a la rapidez con la que la magnitud de salida responde a las variaciones de la magnitud de entrada.

- Estabilidad: es la constancia de la relación entrada-salida para todas las condiciones de funcionamiento.

- Repetitividad: es el margen de tolerancia que abarca los valores de la misma medición. Normalmente se expresa en fracciones de la precisión.

Un aspecto importante es la determinación de la linealidad de los transductores, la cual se determina en forma porcentual.El procedimiento de determinación de la linealidad se ilustra a continuación:Para trazar la curva característica entrada-salida de los transductores se efectúan una serie de mediciones para determinar los valores de salida correspondientes a los distintos valores de la magnitud física de entrada. Para eso se construye un gráfico de coordenadas donde se ubicarán los puntos correspondientes a los datos medidos. Luego se trazará la recta que más se aproxime a dichos puntos. Esta curva se denomina recta optimal del transductor.Luego se trazan dos rectas equidistantes de la recta optimal (y paralelas a ésta) de manera que abarquen todos los puntos del diagrama.

U.T.F.S.M. 1 er PERIODO DE 2001


Después, trazar una recta paralela al eje de las ordenadas, indicando por V1 y V2 los puntos de intersección entre dicha recta y las dos paralelas. Esta situación se ilustra en la siguiente figura:

De acuerdo a lo anterior, la linealidad puede ser expresada como:

Donde el valor F.S.O corresponde al valor de fondo de escala, es decir la diferencia entre las tensiones de salida correspondientes a los valores límites del campo de medición.



TIPOS DE TRANSDUCTORES:Los sensores se analizarán para cada una de las variables a sensar, los cuales se detallan a continuación:

Transductores de Fuerza: Éstos se subdividen en tres categorías:

- Transductores basados en la aplicación de las leyes de la estática:En éstos se recurre al hecho de medir una fuerza incógnita utilizando la ley fundamental de la mecánica clásica, la cual está dada por la relación: F – ma = 0

Lo mismo se puede decir examinando la aceleración angular d/dt de un cuerpo (con un momento de inercia axial J alrededor del eje de rotación relativo) bajo la acción de un sistema de pares M cuya dirección es la de dicho eje. Se obtiene la relación: M – J(d/dt) = 0

Generalmente, en las mediciones industriales, los transductores que toman como base las ecuaciones mencionadas, se utilizan en condiciones de carga constante. Las únicas aceleraciones presentes son las que se deben al transitorio de aplicación de la magnitud incógnita. En este caso el análisis se hace para estado estacionario (se considera el transitorio como acabado), por lo que se utilizan las siguientes fórmulas: F = 0 M = 0

- Transductores basados en el fenómeno de la reacción elástica:Para hacer referencia a este tipo de transductores, supóngase un cuerpo homogéneo e isótropo de forma prismática, con una de sus bases apoyada en un soporte de material con rigidez infinita, mientras que a la otra base se le aplique una fuerza F perpendicular a la misma. El cuerpo se deforma produciendo una fuerza reactiva Fr (definida por la ley de Hooke), y el comportamiento resulta ser puramente elástico.Cuando F es igual a Fr, es decir, en el punto de equilibrio, la altura del prisma tiene una variación porcentual de: 1 = L/L = F/EA = KF

donde: L : altura del prisma. F : fuerza aplicada. E : módulo de elasticidad longitudinal o módulo de Young del material. A : área de la base apoyada.

Gracias a la ayuda de esta ley, es que cualquier cuerpo se puede considerar un sensor lineal de la fuerza aplicada en función de la deformación longitudinal.Se debe escoger el material y la sección de modo adecuado, tomando en cuenta el máximo valor de f, de modo de no salir del tramo rectilíneo de la característica de transducción.Hay que recordar también que a la deformación longitudinal (1), corresponde otra transversal ( t) de signo opuesto y dependiente de la primera a través del coeficiente de Poisson (). Por lo tanto en el campo de validez de la ley de Hooke, existe también una relación lineal entre la fuerza aplicada y la deformación transversal: t = - 1 = - (/EA) F = -K’K

Se logra obtener una transducción lineal “Fuerza/deformación”. Entonces el problema consiste en determinar la deformación y transformarla en una señal eléctrica proporcional a aquélla.Para realizar la transducción, se emplean, normalmente, prismas de sección anular que van interpuestos entre el objeto de peso incógnito y el soporte.



Será posible amplificar la cantidad de la deformación, poniendo bajo flexión una barra prismática delgada empotrada en un soporte, como se aprecia en la siguiente figura:

Para simplificar la aplicación de la fuerza puede recurrirse a una estructura de anillo como la siguiente:

Las deformaciones producidas por una fuerza en estos dispositivos se determinan con sensores como los “strain gage” resistivos y los “strain gage” de semiconductor, los cuales son dispositivos que relacionan su deformación porcentual con una variación de resistencia.



- Transductor de peso o celda de carga:Este tipo de transductor de fuerza está dotado de extensímetros (“strain-gage”). Esta celda transforma una fuerza aplicada (peso) en una variación de la tensión presente en la salida de un puente de extensímetros. Generalmente en la celda de carga hay varios extensímetros, los cuales están montados en el elemento mecánico alterable y conectados en puente. Las celdas de carga que emplean extensímetros del tipo resistivo tienen una impedancia de aproximadamente de 350 ohmios y una sensibilidad de aproximadamente de 2 mV/V en el fondo de escala (es decir, si se le aplicara al puente de extensímetros una tensión de 10 V, la variación de la tensión de salida será igual a 20 mV). El funcionamiento consiste en que al aplicar sobre este dispositivo una fuerza, se obtiene una deformación de la estructura metálica alterable. La precisión de la transducción depende considerablemente de la calidad de las conexiones entre la celda de carga y sus planos de apoyo, donde éstos últimos deben ser muy rígidos, muy planos y deben crear un contacto lo más extenso posible que no sea variable según la posición y el valor de la carga.

- Transductores basados en el fenómeno de la piezoelectricidad:Estos transductores se usan especialmente cuando las fuerzas a medir son dinámicas. Aprovechan el fenómeno en el que variaciones de carga se verifican en algunos materiales cuando éstos están expuestos a fuertes acciones físicas.Estos dispositivos piezoeléctricos se usan en instrumentos utilizados para el estudio de las vibraciones.Los transductores basados en este fenómeno están realizados con cerámicas, como por ejemplo el titanato de bario o el de plomo. También se utilizan cristales como la turmalina, el cuarzo y la sal de "seignette" (tartrato de sodio y potasio). Generalmente, en la industria se utiliza el cuarzo, más que nada por motivos tecnológicos.

También es importante enumerar los parámetros que caracterizan a un transductor de fuerza:- Campo de medidas (expresado en Kg): corresponde al margen de las fuerzas que el sensor es capaz de convertir sin modificar sus características de medición.- El valor de sobrecarga estática admitido (expresado en Kg): es el valor de la máxima fuerza que puede soportar el dispositivo sin dañarse.- Campo de precisión primaria (en ºC): es el margen de temperaturas dentro del cual los datos de medición cumplen valores determinados.- Linealidad: se expresa en porcentaje del valor de fondo de escala, y se entiende como la desviación que experimenta el transductor respecto al funcionamiento lineal ideal.- Sensibilidad (o resolución): es la más pequeña variación de la magnitud de entrada para la cual es posible distinguir variaciones apreciables en la salida. Se expresa como valor de señal de salida para una determinada entrada unitaria.- Repetibilidad: expresada en porcentaje del valor de fondo de escala, indica la capacidad que tiene el transductor de reproducir la señal de salida cuando en la entrada se presenta, en forma sucesiva, la misma muestra de magnitud a medir. - Estabilidad: se expresa en porcentaje del valor de fondo de escala. Este parámetro indica la capacidad que tiene el transductor de mantener la señal de salida cuando en la entrada se mantiene fijo el valor de la fuerza a convertir. - La histéresis: representa el desplazamiento máximo entre dos indicaciones dadas por el transductor (para un mismo valor de fuerza), cuando éste es alcanzado desde direcciones opuestas.



Transductores de presión:Estos dispositivos se dividen en tres categorías, de acuerdo al modo como se realice la medición:a) Transductores de presión absoluta: estos dispositivos contienen la referencia del vacío y sirven para medir la presión absoluta del ambiente o de la fuente de presión conectada al transductor por medio de tubos.b) Transductores de presión diferencial: sirven para medir la presión diferencial que existe entre dos fuentes de presión conectadas a dichos transductores, por medio de tubos.c) Transductores de presión relativa en el ambiente: son transductores de presión diferencial en donde la fuente de presión consiste en la presión atmosférica local, mientras que la otra fuente va conectada a los mismos por medio de tubos.

Los transductores de presión están formados básicamente de dos partes principales: la primera sirve para convertir la presión en desplazamientos o movimientos, mientras que la segunda parte se encarga de convertir dichos desplazamientos en señales eléctricas.

Transducción presión-desplazamientoLa conversión mecánica de la presión a un desplazamiento se logra con una membrana corrugada o diafragma. Este diafragma es un disco metálico con sus bordes fijados a un soporte rígido.El fluido bajo presión está en contacto con una de las caras del diafragma, curvándola en forma proporcional a la presión que se ejerce. Soldando dos de estos diafragmas metálicos corrugados se obtiene una cápsula.Estos elementos se muestran en la siguiente figura:

DIAFRAGMA

CAPSULA



Normalmente, la presión a medir debe actuar sobre las caras externas del elemento.Cuando se quiera medir la diferencia que existe entre dos presiones, será necesario aplicar una de ellas en el interior de la cápsula.

Transducción desplazamiento-tensión:Los transductores que realizan la transformación del desplazamiento en tensión se dividen en diferentes tipos de acuerdo al modo como realizan dicha transducción:a) Transductores de presión de tipo LVDT “Linear Variable Differential Transformer” (lineal diferencial variable): el desplazamiento que se obtiene a través de un diafragma o de una cápsula se transmite a un núcleo magnético ubicado a lo largo de los ejes coincidentes de tres devanados de un transformador. El devanado central, o primario del transformador, presenta en sus extremos una tensión alterna. Los dos devanados externos corresponden a los secundarios del transformador. Cuando el núcleo está centrado (posición cero), las dos tensiones inducidas son iguales y están desfasadas. Cuando el núcleo se desplaza como consecuencia de una presión aplicada, en uno de los secundarios la tensión inducida aumenta, mientras que en el otro disminuye. La diferencia resultante, varía con la presión aplicada en forma lineal.

Un esquema de este tipo de transductor se muestra a continuación:

TRANSDUCTOR DE PRESIÓN DE TIPO LVDT.

b) Transductores de presión potenciométricos: en este tipo de dispositivos, el desplazamiento obtenido mediante un diafragma o cápsula se transmite al cursor de un potenciómetro, cuya variación de la resistencia resulta proporcional a la presión.

c) Transductores de presión de “strain-gage”: el “strain gage” (extensímetro) es un elemento resistivo que cambia de valor al variar una de sus dimensiones (por ejemplo, su longitud). Si se fija rígidamente a una de las caras de un diafragma, el “strain-gage” cambiará su valor de modo proporcional a la presión presente en la otra cara del diafragma.



TRANSDUCTOR DE PRESIÓN POTENCIOMETRICO.

TRANSDUCTOR DE PRESIÓN DE “STRAIN-GAGE”.

Transductores monolíticos de presión:Estos transductores se diferencian de los anteriores en que reúnen en un único dispositivo las dos funciones de transducción propia de los sensores de presión. De esta forma, la transducción “presión-desplazamiento-tensión” se puede efectuar con los siguientes dispositivos:

a) Transductores de presión capacitivos: en éstos la presión aplicada produce una deformación del diafragma cerámico, produciendo con esto una variación de la capacidad del condensador. Mediante la aplicación de técnicas adecuadas es posible obtener una proporcionalidad entre las deformaciones del diafragma y las variaciones de la capacidad, y las de presión.b) Transductores de presión piezorresistivos de película gruesa: el funcionamiento se basa en el fenómeno de la piezorresistividad, que es la propiedad de algunos materiales de variar su resistencia debido a deformaciones que experimentan.



c) Transductores de presión de semiconductor: Se basan en la piezorresistividad. Las resistencias del puente se obtienen mediante difusión sobre un soporte de silicio. La célula constituida por el puente va soldada electrostáticamente a un soporte de vidrio, y así queda desacoplada mecánicamente del mundo exterior.d) Transductores de presión piezoeléctricos: Estos dispositivos basan su funcionamiento en el fenómeno de la piezoelectricidad, que corresponde a la propiedad de algunos materiales de generar una tensión cuando se hallan sometidos a una solicitación (fuerza-presión). Se emplean en las mediciones de presiones de alta frecuencia y en las de niveles de sonido.



Transductores de temperatura:

Acá se pueden distinguir diferentes tipos de acuerdo al elemento empleado para su funcionamiento:

- Transductor de temperatura de semiconductor(STT):En estos dispositivos se aprovecha la gran sensibilidad de los materiales semiconductores a la temperatura. Ofrecen un coeficiente de temperatura mucho más alto que el de la termorresistencia y tienen un campo de temperaturas mucho más ancho y una menor linealidad.Aproximadamente la ley de variación de la resistencia en función de la temperatura se puede representar de la siguiente forma: RT = RO(1+T)Generalmente la conexión entre el transductor y el acondicionador de señal se realiza con dos alambres. Cuando cambia la temperatura de los alambres, el valor de la resistencia total del conjunto transductor-alambres cambia. Todos los alambres que salen del transductor están constituidos por el mismo material y tienen la misma longitud, de manera que tienen la misma resistencia R. Así, mediante un amplificador diferencial es posible obtener una tensión que depende solamente de la resistencia R.A 25ºC la resistencia nominal está comprendida entre 10 [] y 10 [K], con una tolerancia de 1% hasta 20%. Una consideración importante, es tener especial cuidado en el autocalentamiento provocado por la corriente de medición, por lo que se hace necesario que el transductor no sea atravesado por corrientes superiores a 10 [mA].

- Termorresistencia (RTD): En las mediciones de temperatura, la termorresistencia aprovecha la variación de la resistencia de un conductor eléctrico. Se encuentran dos tipos normalizados de termorresistencias: las de níquel y las de platino.La termorresistencia de níquel tiene el coeficiente de temperatura =6,17*10-3 C1 y puede usarse entre –60 ºC y +150 ºC. La termorresistencia de platino tiene el coeficiente de temperatura =3,85*10-3 C1 y puede usarse entre –220 ºC y +750 ºC. Las termorresistencias que se utilizan normalmente tienen una resistencia de 100 [] a 0ºC, con una tolerancia de 0,1ºC. Normalmente la conexión entre la termorresistencia y el acondicionador se hace a través de dos alambres. Debido al autocalentamiento hay que tener las mismas consideraciones con respecto a la corriente de medición que el caso de semiconductor.

- Termopar o termocupla:El termopar consta de dos conductores metálicos de naturaleza distinta cuyo punto de conexión constituye un contacto galvánico (soldadura).

TERMOCUPLA Cuando el termopar (o “unión caliente”) alcanza la temperatura que se quiere medir, se conectan los conductores con el punto de medición (“unión fría”) que tiene una temperatura diferente. En dicho circuito se produce una f.e.m. termoeléctrica, cuyo valor está dado por la diferencia TC – TF. De esta manera conociendo el valor de la f.e.m. y de la temperatura TF será posible conocer la temperatura TC.Como se hace necesario conocer el valor de la temperatura TF, conviene agregar a los hilos del termopar alambres de compensación hasta el punto en que la temperatura es conocida y queda constante.



Transductores de aceleración-Acelerómetros:

Los acelerómetros son transductores electromecánicos, cuya salida entrega una señal eléctrica proporcional a la aceleración vibratoria a que se les somete.Su elemento activo está formado por uno o varios discos piezoeléctricos sometidos a cargas representadas por una o varias masas sísmicas y mantenidos en posición mediante un resorte rígido.

Cuando un acelerómetro se halla sujeto a vibraciones, la masa sísmica ejerce una fuerza variable sobre los discos o barras que, debido al efecto piezoeléctrico, generan una carga eléctrica.Para un rango de frecuencias comprendido entre cero y aproximadamente un tercio del valor de la frecuencia de resonancia del acelerómetro, la aceleración de la masa sísmica será igual a la aceleración de todo el transductor. De esta forma, la carga producida por el elemento piezoeléctrico será proporcional a la aceleración a la que esté sometido el transductor.Un acelerómetro piezoeléctrico puede ser considerado como una fuente de carga o de tensión. Su sensibilidad, que depende de la relación entre la señal eléctrica presente en su salida y la aceleración que provoca dicha señal, puede ser expresada en unidades de carga por unidades de aceleración, y también en unidades de tensión por unidades de aceleración. La sensibilidad depende del tipo y del tamaño del elemento piezoeléctrico, y también del peso de las masas sísmicas que actúan como carga.Por lo general, mientras más grande y pesado es un acelerómetro, mayor es su sensibilidad.



Transductor de velocidad:

La forma de medir la velocidad de un cuerpo rígido consiste en medir el desplazamiento de uno de sus puntos en un cierto tiempo, o calcular el tiempo que se emplea en que uno de sus puntos recorra un determinado espacio. En este caso se usa una dínamo tacométrica, formado por un estator, el cual tiene un imán, y por un rotor, que contiene N espiras. La señal de salida se obtiene mediante dos escobillas. Como se sabe, el campo magnético se obtiene (generalmente) por medio de un imán permanente en forma de herradura con dos piezas polares entre sus ramas. La espira del inducido, la cual se ubica en el entrehierro, gira a una velocidad angular .Dicha espira es atravesada por un flujo que varía según la relación =0cos(t);por lo tanto la tensión en sus extremos resulta ser del tipo: E = 0 sen(t)donde se aprecia que el valor máximo es proporcional a la velocidad angular.

Como se dijo anteriormente, la señal de salida se obtiene a través de dos escobillas que, del colector, extraen las tensiones sinusoidales suministradas por cada espira durante un tiempo igual a 2/N.La siguiente figura muestra como evoluciona en el tiempo la tensión extraída ED. Tanto la evolución como la amplitud, varían en función de la velocidad angular . En la figura también se puede observar, superpuesta a la componente proporcional a , una componente alterna cuya armónica fundamental tiene una pulsación proporcional a N y cuya amplitud es inversamente proporcional a N.La presencia de esta componente alterna origina un error conocido como ondulación (“ripple”). Este error, por lo general, equivale a algunos tantos porcentuales.



El parámetro que caracteriza una dínamo tacométrica es la “constante tacométrica”, la cual está dada por la siguiente expresión:

donde:n = valor nominal del número de revoluciones por minuto (r.p.m.).V= tensión nominal (V).KT= constante tacométrica. (V/rd/s).

Para expresar la constante tacométrica en unidades de V/r.p.m. se utiliza la siguiente relación:

KT (V/rd/s) = K (V/r.p.m) ·

Mayor información con respecto a características de este transductor, se puede obtener de las hojas técnicas o de especificaciones.

Para poder analizar los transductores de aceleración y de velocidad angular, con sus acondicionadores de señal, es necesario producir una aceleración patrón variable y una velocidad angular patrón variable. Lo anterior se logra con una unidad constituida principalmente por un motor de corriente continua para generar la velocidad angular, por un mecanismo de transmisión “biela-manivela” para generar la aceleración y por un sistema óptico para determinar la velocidad angular.

La velocidad máxima del motor es de 4000 r.p.m., con una tensión de alimentación de 27,5[V]. Variando la tensión de alimentación entre 0 y 27,5 [V] se obtienen velocidades intermedias. Cuando se utiliza el mecanismo “biela-manivela”, la fuerte carga presente en los movimientos de inversión hace que el motor pueda alcanzar una velocidad máxima de 800 r.p.m., que corresponde a 6 [V] de alimentación. Si se desea analizar la dínamo tacométrica en todo el campo de velocidades, es necesario desacoplar el mecanismo “biela-manivela” del volante fijado al eje del motor.

El mecanismo de “biela-manivela” se ilustra en la siguiente figura:



Observando la figura anterior, el punto P se mueve a lo largo de la recta i-i (aceptando una hipótesis simplificadora del movimiento). Con P0 y P1 se indican las posiciones de los puntos muertos exterior (=0º) e interior (=180º) respectivamente del pie de la biela. Por otra parte, s representa la fracción de recorrido que cumple el pie de la biela cuando la manivela gira, desde el punto muerto exterior, un ángulo .Suponiendo que la manivela gira a una velocidad constante en el sentido de las manecillas del reloj, y realizando un análisis detallado un poco extenso (se dará sólo el resultado) es posible establecer una expresión que representa el movimiento del pie de la biela. Realizando una doble derivación con respecto al tiempo de esta ecuación se llega a una expresión que representa la aceleración del pie de la biela, cuyo resultado se muestra a continuación: AP = r2 (cos + cos2)

Considerando que la velocidad del motor es perfectamente constante, la relación que vincula la aceleración del pie de la biela, y por lo tanto del acelerómetro, a la velocidad del motor en el punto muerto exterior será:

APext. = n2 (2/60)2 r (1 + r/L)

Donde:n = número de r.p.m. del motor.r = radio de la manivela (en metros).L = longitud de la biela (en metros).

De la misma forma, en el punto muerto interior, la aceleración estará dada por: APint. = -n2 (2/60)2 r (1 + r/L)

En este caso, el equipo que se emplea tiene los siguientes valores: r = 0,055 [m] L = 0,3 [m]

Si se considera la aceleración entre ambos puntos, se puede escribir: A = APext + APintlo que arroja como resultado:

A = 2 n2 (2/60)2 r A = 2n2 K con K= (2/60)2 r = 603* 10-6

Finalmente la expresión que entregará la aceleración está dada por

A = 2n2 ·603* 10-6 [m/s2]

donde n = número de r.p.m. del motor de corriente continua.

La velocidad angular del motor (velocidad angular patrón que debe tomarse como referencia al analizar el transductor de velocidad) es obtenida en forma precisa mediante un sistema óptico. En el eje mismo del motor ha sido montado un disco con 60 agujeros dispuestos en proximidad de la circunferencia. Dicho disco está montado en el eje mismo del motor. Este sistema óptico genera un impulso en presencia de un agujero del disco. Contando el número de impulsos por segundo, mediante un contador, se obtiene el número de revoluciones por minuto que efectúa el motor.



Transductores de iluminación:

Los transductores de iluminación son dispositivos capaces de transformar la radiación luminosa en una magnitud eléctrica (resistencia, corriente), y que también pueden ser utilizadas como transductores indirectos de otras magnitudes físicas como posición, velocidad angular, etc.La radiación luminosa, al interactuar con la materia, produce diversos efectos. Entre los más importantes se encuentra el “Efecto Fotoeléctrico” que consiste en la liberación de electrones de una superficie metálica cuando a ésta le llegan radiaciones luminosas y, en el caso de semiconductores, en la generación de pares electrones-huecos.

Con relación a los efectos fotoeléctricos sobre los semiconductores, se pueden dividir en dos grupos:

1- Efecto fotoconductorLa conductividad de una barra de semiconductor depende de la intensidad de la radiación luminosa que le llega.

2- Efecto fotoeléctrico sobre la unión (Efecto Fotovoltaico)La corriente a través de una unión P-N polarizada depende de la intensidad de la radiación luminosa. Si la unión no está polarizada, en sus extremos se genera una fuerza electromotriz (Efecto Fotovoltaico).

En la primera categoría se encuentran dispositivos que se denominan fotorresistencias, mientras que en la segunda categoría se encuentran los fotodiodos, las células eléctricas y los fototransistores.

FotorresistenciasLa fotorresistencia es un componente pasivo de semiconductor, desprovisto de unión.En la siguiente figura se muestra la curva característica resistencia-irradiación, además del símbolo de dicho elemento.

La fotorresistencia en la oscuridad es prácticamente un aislante y presenta valores de resistencia del orden del M. Si resulta fuertemente iluminada, presenta valores de resistencia muy bajos, hasta alcanzar algunas decenas de .



FototransistorEl fototransistor es un dispositivo de estructura muy similar a la de un transistor común y corriente, pero tiene la particularidad de que su base es fotosensible.Se alimenta con tensión positiva entre colector y emisor, y la base se puede dejar abierta o conectada al emisor con una resistencia.En condiciones de oscuridad, la corriente de colector es mínima y aumenta con el incremento de la iluminación.En la figura siguiente se muestra el símbolo con el esquema de conexión del fototransistor, como también la curva característica que relaciona la variación de la corriente de colector Ic con la variación de iluminación E.

FotodiodoEl fotodiodo es un dispositivo similar a un diodo corriente de semiconductor, formado por una unión P-N; para este empleo se polariza inversamente.En oscuridad, el fotodiodo se comporta como un diodo corriente de semiconductor, mientras que cuando a la unión le llega una radiación luminosa, se aprecia un aumento de la corriente inversa.

La siguiente figura muestra la curva característica que relaciona la iluminación con la corriente inversa, como así también se presenta el símbolo del fotodiodo.



La corriente en los fotodiodos puede asumir valores comprendidos entre algunos nA y algunas decenas de mA y los materiales semiconductores más utilizados son el Silicio, el Germanio y otros semiconductores compuestos.Los fotodiodos al Silicio presentan la máxima sensibilidad para radiaciones luminosas con una longitud de onda comprendida entre 0.8 y 0.9 m, mientras que los fotodiodos al Germanio presentan la máxima sensibilidad entre 1.6 y 1.8 m.Una mejora de las características se logra intercalando entre los semiconductores dopados P y N, un semiconductor no dopado (estructura P.I.N).Si un fotodiodo no polarizado y sin carga se ilumina, se detecta una tensión entre sus extremos, generada en el interior de la unión por la interacción entre la radiación luminosa y el material semiconductor (efecto fotovoltaico).Luego si se conecta una carga al fotodiodo, se produce una circulación de corriente, obteniendo un generador de energía eléctrica.

Fuente luminosaLa iluminación requerida para el funcionamiento de los transductores de iluminación es proporcionada por una lámpara de incandescencia con filamento al tungsteno, alimentada con una tensión de 24 [V].La mencionada lámpara se encuentra dentro de una unidad de proceso que incorpora un dispositivo de alejamiento de los sensores de la lámpara, efectuando de esta manera la variación de la energía que llega a los transductores.En esta unidad es posible leer la intensidad de la iluminación producida, cuya unidad utilizada es [Lux].La siguiente tabla resume los valores de la iluminación de acuerdo a la distancia entre la lámpara y los sensores.

DISTANCIA ILUMINACIÓN ESCALA FILAMENTO SENSORES GRADUADA [cm] [Lux] [cm] 3 3330 0

4 1875 1 5 1200 2 6 830 3 7 612 4 8 468 5 9 370 6 10 300 7 11 248 8 12 208 9 13 177 10 14 153 11 15 133 12 16 117 13 17 104 14 18 93 15 19 83 16 20 75 17 21 68 18 22 62 19 23 57 20



Transductores de nivel:

Para medir niveles se utiliza un detector de presión. Un bucle de medición permite generar una tensión continua que evoluciona en función del nivel del agua de una columna. De este modo, resultará que a cada nivel de la columna le corresponde un solo valor de tensión de salida. Se dice entonces que hay una analogía entre el nivel y la magnitud que lo representa, que en este caso es la tensión de salida. Se puede afirmar, así, que una magnitud o una información es de tipo analógico cuando varíe de modo continuo, o cuando no presente ninguna discontinuidad.

En condiciones estáticas el nivel de un líquido resulta vinculado a la presión según una ley de proporcionalidad. Definiendo con “L” el nivel, es decir la altura, del líquido en un tanque, la presión que se ejerce en el fondo del mismo estará dada por: P = L·g·MsEn donde:

P= presión (en Pa= Pascal = Nm-2 =10-5 bar)L = nivel (en m)g = aceleración de la gravedad (g=9,8 m/s2)Ms = masa específica del líquido (Kg/m3)

De todo lo anterior se deduce que para medir un nivel basta con medir una presión. Entre los transductores de presión los más importantes son los de “strain gauge” o transductores extensométricos. El funcionamiento de dichos transductores se basa en la piezorresistividad, que es la propiedad de algunos materiales de cambiar la propia resistencia en función de la deformación a la que están sometidos.En un diafragma de silicio se montan cuatro resistencias que se conectan en puente de Wheatstone. Luego se suelda dicho diafragma a un soporte de vidrio anular.Posteriormente, se alimenta el puente conectando con una de las diagonales un generador de tensión constante, mientras de la otra diagonal se extrae una tensión variable y proporcional a la presión ejercida sobre el diafragma. Lo anterior se ilustra en la siguiente figura:

El detector aprovecha la presión ejercida por el agua de la columna para provocar una deformación elemental de los extensímetros.



Anexo 2: Acondicionadores de señales

Acondicionador de señales para el transductor de peso:Debe ser tal que amplifique la señal de salida del sensor, la cual es muy baja, de manera que sea fácil de manipular. Además deberá proporcionar un “offset” (puesta a cero) adecuado y permitir la adaptación de las escalas (variaciones de amplificación), para obtener una correspondencia numérica entre la fuerza y la tensión.La señal de excitación +Vref se obtiene mediante un regulador de tensión Z1 (que corresponde al integrado TL431). Por otro lado, la señal correspondiente a –Vref se logra con la ayuda del integrado IC1. La etapa de lectura se realiza mediante un amplificador diferencial. La señal de salida de dicho amplificador diferencial entra en una nueva etapa de amplificación dado por IC3 en la figura del circuito, cuya función es la de adaptar las escalas y de anular el offset del transductor. De esta forma se obtendrá a la salida una tensión que será proporcional a la fuerza.Un esquema de un circuito propuesto para este acondicionador se muestra en la figura 1.

Acondicionador de señal para el transductor de presión:El acondicionador para este tipo de transductor es simple, ya que la señal (proporcional a la presión) que sale del sensor es suficientemente grande. De este modo el acondicionador tendrá que encargarse de realizar el “offset” y una pequeña amplificación para poder adaptar las escalas correspondientes a presión-tensión.La señal de excitación se consigue por medio del regulador TL430C, cuyas características se detallan en las hojas de especificaciones que se adjuntan. La etapa de lectura está formada por un amplificador operacional IC1 (integrado OP07) conectado como amplificador diferencial. Posteriormente la señal de salida del amplificador diferencial entra en otra etapa de amplificación, denotado por IC2 que corresponde al integrado A741, cuya finalidad es la de adaptar las escalas y la de anular el “offset” del transductor. Un circuito propuesto se muestra en la figura 2.



Acondicionador de señales para transductor de temperatura de semiconductor: Sirve para vincular la variación de la temperatura, de 0 a 150ºC, con una tensión de salida variable entre un rango específico. La medición de la resistencia del termistor se realiza con un puente de Wheatstone, el cual se monta con los componentes de este acondicionador. Esta configuración de puente de Wheatstone se alimenta con una tensión de referencia, que la proporciona el generador interno formado por Z1, R1, R7, R8, RV1 y C1. El puente de medición está constituido por las resistencias R2, R4, R5 Y RV2, además del sensor de temperatura. Como el transductor utilizado es de tres hilos, se utiliza un amplificador diferencial para que el valor resistivo de los alambres del transductor sea lo más mínimo posible. En el circuito también debería haber un señalador de sobretemperatura, de modo que se pueda inspeccionar el proceso de medición para evitar que se sobrepase la temperatura de 150ºC en el transductor e impedir su deterioro. La figura Nº3 muestra un circuito propuesto para este acondicionador.

Acondicionador de señales para termorresistencias:En éste se distinguen dos transistores, T1 y T2, que forman un par de generadores de corriente constante, dos amplificadores operacionales y la termorresistencia. Los dos generadores se usan para producir una caída de tensión en la termorresistencia y de esta forma permitir que el sistema no presente errores debidos a las caídas de tensión en el trayecto de la señal de corriente entre los generadores y el sensor, que puede estar muy lejos del acondicionador de señales. Los amplificadores operacionales desempeñan la función de amplificar la tensión de los extremos de la termorresistencia, haciendo que a un campo de temperaturas de la termorresistencia de 0º hasta 250ºC corresponda un margen de tensión.A la señal de entrada del segundo amplificador operacional se le agrega otra señal continua cuya amplitud permite a la misma igualar la tensión de salida del amplificador IC1 cuando la temperatura de la termorresistencia es de 0ºC. A dicha temperatura la resistencia de los extremos del sensor vale 100 [], razón por la cual habrá que tener que para 0 ºC una caída de tensión diferente de cero. Este acondicionador se puede apreciar en la figura Nº4.

Acondicionador de señales para termopares o termocuplas:Cuando se proyecta un acondicionador de señales para termopar se presentan dos tipos de problemas con relación a las tensiones de interés, que son muy bajas, y a la compensación de la unión fría. A temperatura ambiente la f.e.m. termoeléctrica es del orden del mV, por esto hay que tomar muchas precauciones para impedir que las perturbaciones (ruido) falseen las mediciones.Analizando el esquema del circuito de este acondicionador, el amplificador IC1, en cuya entrada se tiene la tensión de salida del termopar, debe tener bajo desplazamiento térmico y bajo “offset” y una elevada amplificación. Para un mejor funcionamiento se agrega un condensador C1, cuya función es eliminar los problemas de ruido mediante filtraje.Para la compensación de la unión fría realizada por IC2, se usa un elemento termosensible, que en este caso es un diodo de silicio D1, cuya tensión es amplificada por IC2. Luego las tensiones que vienen de los dos bloques anteriores llegan a la entrada de un bloque constituido por un amplificador-sumador (IC3). Se debe diseñar de tal manera que un campo de temperaturas de 0 a 250ºC corresponda a un margen de tensiones de 0 hasta 8 V. Este circuito se muestra en la figura Nº5.



Fig. Nº3: Acondicionador de señales para transductor de temperatura de semiconductor.

Fig. Nº4: Acondicionador de señal para termorresistencias.



Figura Nº5: Circuito acondicionador de señal para termocupla.



Acondicionador de señal para la dínamo tacométrica:Consiste en un sistema por divisor, gracias al cual, la tensión que sale del detector puede ser manipulada por los circuitos integrados lineales. Los amplificadores permiten aumentar la señal, y debe hacerse una calibración de manera de obtener la proporcionalidad buscada.El circuito para este acondicionador es el que a continuación se muestra:

Figura Nº6: Acondicionador de señal para dínamo tacométrica.

Acondicionador de señal para el transductor de aceleración:Este acondicionador debe cumplir con las siguientes funciones:- transformar la elevada impedancia de salida del acelerómetro en otra de valor menor- amplificar la señal de salida del acelerómetro cuando los instrumentos que le siguen no tienen una sensibilidad suficientemente alta.

Además debe permitir la calibración para que a un determinado rango de aceleración, le corresponda un rango específico (según condiciones de diseño) de tensiones en la salida del circuito. Básicamente este acondicionador cuenta con un amplificador operacional que permite amplificar la señal que sale del acelerómetro, y que además actúa como filtro eliminando las señales provenientes de las vibraciones de alta frecuencia. También consta de otros amplificadores que se muestran en la figura Nº7.



Acondicionador de señal para el transductor de iluminación:Está constituido por un amplificador IC1 conectado como inversor. Además consta de una configuración de resistencias y potenciómetros que permitan poner a cero el “offset” de IC1 y que permitan polarizar el fotodiodo o fototransistor, de acuerdo al elemento con el cual se trabaje, o en el caso de la fotorresistencia, poner a cero la tensión generada por ella en la oscuridad. También se tiene un transistor T que sirve para amplificar la corriente de salida de IC1. El amplificador IC1 varía su propia salida hasta que la tensión del emisor del transistor T (punto desde donde se extrae efectivamente la señal para la realimentación) alcance un nível tal como para volver a llevar el amplificador mismo a operar en la región de linealidad (es decir, tensión de la entrada inversora igual a la tensión de la entrada no inversora).La salida del acondicionador de señal debe calibrarse de modo que a un determinado rango de iluminación corresponda su determinado rango de tensión de acuerdo a las exigencias impuestas para el diseño.El circuito propuesto para este acondicionador se muestra en la figura Nº8 para el caso de la fotorresistencia, figura Nº9 para el fotodiodo y en la figura Nº10 para el fototransistor.

Figura Nº8: Circuito acondicionador de señal para fotorresistencia.



Figura Nº9: Circuito acondicionador de señal para fotodiodo.

Figura Nº10: Circuito acondicionador de señal para fototransistor.Como la unidad que contiene a la lámpara necesita una alimentación de 24 [V], se deberá diseñar un circuito amplificador de potencia. Un circuito propuesto es el que se muestra a continuación:



Figura Nº11: Amplificador de potencia para la unidad de iluminación.

Acondicionador de señal para el transductor de nivel:La señal suministrada por el transductor debe aplicarse a un circuito acondicionador para adaptar los niveles. La lectura de los niveles del transductor se realiza mediante un amplificador diferencial formado por IC1. Además consta de un amplificador (IC2) que permite generar una tensión de “offset” a la salida del primer amplificador de modo que la tensión presente a la salida de IC2 sea nula cuando el nivel de agua de la columna corresponda al valor cero de la escala de medidas. Además sirve para ajustar el coeficiente de proporcionalidad entre el nivel y la tensión de salida del circuito, de manera de lograr la relación que se pida entre los márgenes de niveles y las tensiones de salida.



Figura Nº12: Acondicionador de señal para el transductor de nivel.


Anexo 1: Transductores · Web viewAnexo 1: Transductores. Un transductor consiste en un dispositivo...

Documents

Transcript of Anexo 1: Transductores · Web viewAnexo 1: Transductores. Un transductor consiste en un dispositivo...