SENSORESYACTUADORES

8/7/2019 SENSORESYACTUADORES

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SENSORES Y TRANSDUCTORES 1.1

TEMA 1: SENSORES Y TRANSDUCTORES

1.1.- INTRODUCCIN A LOS SISTEMAS DE MEDIDA

La funcin esencial de un sistema de medida es la asignacin objetiva (independiente delobservador) y emprica (basada en la experimentacin) de un nmero a una propiedad o cualidadde un objeto o evento. Los objetivos de la medida pueden ser:

a) Vigilancia o seguimiento de procesos. Este sera el caso de la medida de la temperaturaambiente y de los contadores de agua y gas.

b) Control de un proceso. Como ejemplo se puede considerar un termostato (cuandoalcanza una determinada temperatura conmuta y puede dar lugar al efecto contrario queorigin su conmutacin) o el control del nivel de un deposito.

c) Ingeniera experimental. As ocurrira cuando se miden las fuerzas que actan sobreun conductor (simulado) de un vehculo cuando este choca contra un objeto. Losresultados obtenidos de esta forma tienen su principal campo de aplicacin en el C.A.D.(Computer Aided Design, Diseo Asistido por Ordenador).

En la figura 1.1 se representa la estructura general de un sistema electrnico de mediday control, es decir, que abarcara los tres objetivos citados anteriormente. De todos los bloquesque forman dicho sistema, se puede decir que tres de ellos son bsicos y se encuentran presentesen la prctica totalidad de los sistemas de medida. Estos seran:

- SENSOR / TRANSDUCTOR- ACONDICIONADOR DE SEAL- PRESENTACIN (VISUALIZACIN Y REGISTRO)

Fig. 1.1 Estructura general de un sistema electrnico de medida y control.


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Veamos cuales son las caractersticas fundamentales de estos elementos.

1.1.1.- TRANSDUCTOR Y SENSOR

Cuando se hace referencia a este binomio, generalmente se le nombra simplemente como

transductor, olvidndose que, si bien van formando un todo en la mayora de las aplicaciones,se trata de dos elementos entre los cuales se pueden hacer diferencias.

Se denomina transductor, en general, a todo dispositivo que convierte una seal de unaforma fsica en otra seal, que se corresponde con la primera, pero de otra forma fsica distinta.El fin del transductor es, por tanto, acoplar la magnitud a medir al sistema de medida. Como eltratamiento que se va a hacer de la seal de salida del transductor es normalmente llevado a cabopor equipos o circuitos electrnicos, de todos los transductores que existen (atendiendo a seistipos de seales: mecnicas, trmicas, magnticas, elctricas, pticas y moleculares o qumicas),los considerados transductores por antonomasia son aquellos que ofrecen una seal de salida

elctrica: tensin, corriente, etc.En la figura 1.2. podemos ver esquematizada la misin del transductor. La relacin entre

la salida elctrica ofrecida por el transductor y la magnitud de la seal se conoce comofuncinde transferencia, y por lo general conviene que se aproxime lo mximo posible a una funcinlineal.

Fig. 1.2. Conversin de seal por transductor.

Aunque en la asignatura se har referencia indistintamente a los trminos transductor ysensor, no queremos finalizar el apartado sin dejar clara la diferencia entre dichos trminos,habitualmente utilizados como equivalentes, aunque en rigor no lo sean. El sensores el elementodirectamente en contacto con la magnitud a medir y no tiene porqu proporcionar ninguna salidaelctrica. Su finalidad es captar esta magnitud para posteriormente transformarla y obtener unasalida elctrica. Un ejemplo que nos puede ayudar a diferenciar los trminos sensor y transductores el mostrado en la figura 1.3. y que hace referencia a un micrfono magntico.

Fig. 1.3. Micrfono magntico. Distincin entre sensor y transductor.


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El sensor es la membrana elstica que vibra con la presin de las ondas sonoras querecibe, realizando una conversin de la variable fsica, presin, en otra variable fsica:desplazamiento. Este desplazamiento es recogido por una bobina solidaria con la membrana, lacual al moverse en el seno de un campo magntico (generado por los imanes) produce una ltimatransformacin: desplazamiento a tensin (magnitud elctrica).

Entonces, como transductor se conoce a todo el dispositivo (micrfono) y el sensor serla membrana, que es parte del transductor.

La clasificacin de los transductores suele hacerse basndose en diferentes criterios y/oseales que manejan, tanto a la entrada como a la salida. As podramos citar los siguientesgrupos clasificatorios:

- Segn la magnitud que miden tendremos transductores de: temperatura, luminosidad,fuerza, desplazamiento, humedad, etc.

- Segn el principio fsico-elctrico en que se basan, los transductores seran del tiporesistivo, inductivo, capacitivo, semiconductor, piezoelctrico, etc.

- Segn el tipo de la seal elctrica presente en sus terminales de salida: analgico,digital, discreto.

- Segn el campo de aplicacin tendramos transductores especficos para robtica,medicina, industria (en sus diferentes vertientes), etc.

1.1.2.- ACONDICIONADOR DE SEAL

Los acondicionadores de seal, adaptadores o amplificadores, en sentido amplio, son loselementos del sistema de medida que ofrecen, a partir de la seal elctrica de salida de untransductor, una seal apta para ser presentada o registrada o que simplemente permita unprocesado posterior mediante el equipo electrnico adecuado. Los acondicionadores de seal sonnormalmente circuitos electrnicos que ofrecen, entre otras opciones, las siguientes:amplificacin, filtrado, adaptacin de impedancia, modulacin/demodulacin,codificacin/decodificacin, conversin A/D y D/A, etc.

El acondicionamiento de la seal, segn la aplicacin, puede integrar varios de loscircuitos anteriores para conseguir sus objetivos. Estos circuitos suelen venir ya en un nico chip,dada la estandarizacin de las salidas de los transductores y de las entradas a los equipos deprocesado.

1.1.3.- PRESENTACIN (VISUALIZACIN Y REGISTRO)

Los sistemas de visualizacin y registro se pueden clasificar en analgicos y digitales,teniendo como misin en ambos casos presentar la magnitud medida de tal forma que pueda serinterpretada correctamente por el supervisor del sistema de control electrnico.


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1.1.5.- SISTEMAS DE TELEMEDIDA

En la estructura general que se mostr en la figura 1.1., se inclua un bloque denominadoTRANSMISOR DE DATOS, cuya misin es la de enviar la seal elctrica correspondiente a lamagnitud medida hasta donde se encuentre la unidad central de proceso, el sistema de

presentacin, etc. Es decir, se da por hecho la separacin fsica (suficientemente grande) entreel punto de medida de las magnitudes y el de presentacin y procesamiento.

El transmisor de datos podr preparar la seal que recibe para ser enviada va cable o varadio (ondas hertzianas), y la eleccin entre ambas formas depender de algunos factores, como:

- Distancia entre emisor y receptor- Volumen de datos a transmitir (medida de datos mltiples)- Interferencias, espacio fsico para cables, etc.- Relacin S/N necesaria

- Precio, etc.

1.2.- TRANSDUCTORES PIEZOELCTRICOS

La palabra "piezo" procede del griego y significa "comprimir", por lo que la expresinefecto piezoelctrico indica la produccin de electricidad en una materia al aplicar una presinsobre ella. Este efecto solo se presenta en materiales elctricamente aislantes, y conduce a laaparicin de cargas elctricas sobre la superficie de esos materiales deformados mecnicamente.Tambin se da el efecto inverso: cuando se aplica un campo elctrico a un materialpiezoelctrico, ste se deforma mecnicamente. Por ello, todos los materiales piezoelctricospueden emplearse para cualquiera de los dos propsitos.

El efecto piezoelctrico solo se presenta en materiales cuyos enlaces atmicos seaninicos, es decir, en los que las molculas estn dispuestas en pares positivo-negativo llamadosdipolos, tal como podemos ver en la figura 1.5.

Fig. 1.5.- Material piezoelctrico en estado de reposo y con una presin aplicada


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Cuando se aplica una presin al material, estos dipolos (molculas) se deforman y seproduce una separacin de los pares positivo-negativo, crendose as un campo elctrico. Portanto, se hace necesario que en reposo, el material tenga los dipolos orientados. Hay materialesque, debido a su naturaleza, los tienen orientados de por s (cuarzo) y otros, a los que es necesariosometerlos a un proceso de orientacin permanente (cermicas).

Como vemos, la produccin del efecto piezoelctrico depende de la disposicin de losiones positivos y negativos en el material. Esto restringe dicho efecto a los materiales cristalinosanistropos, es decir, que sus propiedades fsicas no son iguales en todos los sentidos puesto que,en un cristal con simetra perfecta, ninguna combinacin de esfuerzos uniformes producir laseparacin de cargas. En la figura 1.6. se muestra grficamente el porqu de estos requisitos. As,en el caso a) hay simetra central, y al aplicar un esfuerzo T no aparecer polarizacin elctrica.En el caso b), en cambio, aparece una polarizacin paralela al esfuerzo, con el polo negativo ala izquierda y el positivo a la derecha. En el caso c) la polarizacin aparece en direccinperpendicular a este, con el polo positivo en la parte inferior y el negativo en la superior.

Fig. 1.6.- Efectos de un esfuerzo mecnico en diferentes molculas segn su simetra. a) Si hay simetra central no seproduce polarizacin. b) Polarizacin paralela al esfuerzo (T). c) Polarizacin perpendicular al esfuerzo (T).

Tal como se dijo antes, hay materiales que en su estado normal pueden ser aprovechadospara producir el efecto piezoelctrico, pero es necesario para ello que sean cortados a lo largo deejes particulares del cristal para conseguir los efectos mximos y lograr una elevada anisotropa.Sin embargo actualmente se utilizan unos materiales artificiales que se conocen globalmente conel nombre de cermicas. Un material cermico consiste en un conglomerado de cristales muypequeos que tienen sus ejes elctricos orientados segn direcciones aleatorias. Por tanto, antesde usarlo como elemento piezoelctrico, se hace necesario una orientacin uniforme de todos losejes de los cristales que lo componen. Esta polarizacin se consigue introduciendo el materialcermico entre dos polos elctricos y aplicando una tensin elevada (en torno a los 10 KV), lo


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La aplicacin de un tipo de cristal (o cermica) piezoelctrica en un transductordepender tanto del campo en el que se vaya a usar como de las propias prestaciones del material.As, tendremos que valorar prestaciones tales como:

- Modos de compresin o estiramiento.

- Margen dinmico de entrada (para la magnitud a medir).- Margen dinmico de salida (valor de la transduccin).- Sensibilidad de entrada.- Resistencia a golpes, vibraciones, temperatura y humedad.

Adems habr que tener en cuenta si el material piezoelctrico usado como sensor esestndar (de amplia difusin y facilidad de adquisicin) o propietario (especfico de unfabricante); tambin tendremos que analizar el tipo de circuito que se acoplar a la salida deltransductor y que har de interface con el resto del sistema de medida y control.

1.2.1.- APLICACIONES DE LOS MATERIALES PIEZOELCTRICOS

La figura 1.7 ilustra el uso de elementos piezoelctricos en una fuente de alta tensin paraencendido de motores de gasolina. Una leva movida por el motor acta sobre una palanca, la cualaplica una fuerza mayor o menor sobre el eje elctrico de dos cilindros de PZT (cermica). Loscilindros llevan acoplados unos electrodos en sus bases y son apilados de tal forma que uno delos electrodos puede ser considerado como potencial de referencia, o sea, masa. Un dispositivode este tipo ha sido utilizado satisfactoriamente en mquinas con motores de gasolina de pocapotencia: motosierras, cortadoras de csped, modelismo, etc., desarrollando potenciales deencendido del orden de 20.000 v.

Fig. 1.7.- Generador de alto voltaje para encendido de motores de gasolina.

El transductor de sonido sumergible mostrado en la figura 1.8., ilustra una aplicacin delcristal ADP en forma de placas. Un grupo de placas dispuestas transversalmente es apilado,intercalndose entre ellas lminas de electrodos conectados en paralelo. Los extremos de lasplacas de la pila de cristal actan solidariamente a modo de pistn (mbolo) y su accin es


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transmitida al agua mediante el encapsulado de caucho y el aceite que rodea dicha pila. Puestoque los filos laterales de las placas tambin son sensibles a la presin acstica y en esa zona nointeresa, son cubiertos con material acsticamente aislante tal como clulas de sellado de cauchoy espuma (foam) o tambin Corprene, consiguiendo el doble efecto de, por un lado, cancelar elefecto piezoelctrico (presin a voltaje) y por el otro, cancelara la salida acstica por los laterales

abiertos (voltaje a deformacin). Aunque este transductor podra usarse como micrfono yaltavoz "acutico", es en este ltimo caso cuando mejor respuesta de transduccin da.

Fig. 1.8.-Transductor de sonido (altavoz) sumergible.

La figura 1.9. nos muestra un medidor de precisin de sonido hidrofnico o micrfonoacutico que emplea, en este caso, un apilamiento de delgadas placas de cristal piezoelctricoconectadas en paralelo. Puesto que en este caso interesa detectar las variaciones de presin enel entorno del transductor, no hace falta rodear los laterales del material piezoelctrico con

ningn elemento aislante, tal como se hizo con el transductor de sonido anterior.

Fig. 1.9.- Micrfono acutico.

En la figura 1.10. se nos muestra un modelo elemental de acelermetro piezoelctricopreparado para medir aceleraciones de tipo vibratorio que abarcan un amplio rango defrecuencias. Est formado por dos discos cermicos intercalados entre una masa y una base (a


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modo de soporte). La unin de estos elementos se puede hacer mediante adhesivo o soldadura.La aceleracin vibratoria aplicada a la base en la direccin indicada produce la correspondientefuerza de compresin a travs de los perfiles de los discos, debido a la reaccin de inercia de lamasa. De este modo, el voltaje correspondiente a la aceleracin aplicada es generado por losdiscos cermicos.

Fig. 1.10.- Acelermetro de compresin.

La figura 1.11. ilustra el uso de elementos piezoelctricos de tipo cermico en unaaplicacin de limpieza ultrasnica. Dos discos cermicos estn soldados entre un soporte demetal ligero y una masa de reaccin. El soporte es el elemento atacado para la limpieza deltanque. El ensamblaje as compuesto tiene una resonancia mecnica determinada por los efectoscombinados de la masa y la rigidez del metal y las partes cermicas. Cuando a los discoscermicos se les aplica un voltaje alterno (ac) a la frecuencia de resonancia mecnica, el conjuntovibra a gran intensidad, induciendo una violenta agitacin al lquido contenido en el tanque.

Fig. 1.11.- Transductor para limpieza ultrasnica.

Puesto que los materiales piezoelctricos tipo cermico pueden ser fabricados en granvariedad de tamaos y formas, permiten, por si mismos, diseos para aplicaciones particularesque podran tener gran dificultad, si no imposibles, si lo hicisemos con cristales normales. Lafigura 1.12. muestra un tpico transductor sumergible que utiliza un cilindro cermico hueco,polarizado a travs de las paredes. En esta aplicacin los extremos del cilindro son cerrados, paraproteger la superficie interna del medio acstico. Puesto que la superficie exterior del cilindroexpuesta al agua es mucho mayor que la seccin transversal del material cermico, la impedanciamecnica del elemento es mucho menor que la de un elemento slido de las mismasdimensiones. Esto permite una mejora del acoplamiento acstico entre el elemento piezoelctricoy el medio a travs del cual opera.


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Fig. 1.12.- Transductor de sonido acutico del tipo cilndrico.

En la figura 1.13. se muestra el uso de una cermica piezoelctrica adaptada en formacilndrica. Antes de ensamblarlo en el transductor, el cilindro cermico fue polarizado endireccin longitudinal empleando la aplicacin temporal de un voltaje dc. El elemento aspolarizado es adherido fuertemente al soporte central, al cual rodea. A continuacin, una pesadamasa cilndrica se aade, rodendolo todo. La aceleracin vibratoria aplicada a la base en ladireccin indicada, produce la correspondiente presin transversal en las paredes del cilindro,debido a la reaccin inercial de la masa. De este modo, un voltaje directamente proporcional ala aceleracin aplicada se genera en el cilindro, el cual es llevado al exterior mediante loselectrodos correspondientes.

Fig. 1.13.- Acelermetro transversal.

1.3.- SENSORES DE TEMPERATURA

De todos los conceptos que se pueden dar para definir la temperatura, a nosotros nosinteresa el que profundiza en los aspectos fsicos del material sobre el que vamos a medir dichoparmetro. As definiremos temperatura como:

Una magnitud fsica que expresa el mayor o menor grado de agitacin de las molculas

de los cuerpos, es decir, evala la energa cintica de las mismas.

No debemos confundir la energa calorfica con la temperatura, ya que la primera tieneen cuenta tambin la masa del cuerpo. Por ejemplo, las chispas que se desprenden al efectuar unasoldadura mediante arco voltaico tienen una elevada temperatura, pero no suelen quemar cuandocaen sobre el cuerpo humano, debido a su reducida masa, es decir, poseen poca energacalorfica.


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La medida de la temperatura forma parte, hoy en da, de cualquier proceso industrial yes por ello, por lo que ocupar un lugar importante en cualquier sistema de medida y controlelectrnico.

Mtodos para la medida de la Temperatura

Los diferentes mtodos para la medicin de temperatura, se basan en las alteraciones questa provoca en determinados materiales, por lo que, en definitiva, lo que estamos midiendo soncambios producidos como consecuencia de la temperatura. As, podemos formar la siguientelista de mtodos para medir temperaturas:

- Variacin del volumen o del estado de los cuerpos (termmetros).- Variacin de la resistencia de un conductor (Detectores de temperatura resistivos,RTD).- Variacin de la resistencia de un semiconductor (termistores NTC y PTC).

- Variacin de la tensin en una unin n-p (transductores de unin semiconductora).- Fuerza electromotriz creada en la unin de dos metales (Efecto Seebeck. Termopares).- Intensidad de radiacin emitida por un cuerpo debido a su temperatura (pirmetros).- Velocidad de sonido en un gas, frecuencia de resonancia de cristal, etc. (termmetrosultrasnicos, de cristal de cuarzo, etc.).

Tipos de transductores de temperatura

Esta clasificacin se puede hacer de dos formas: segn la relacin fsica que mantienencon el cuerpo a medir y la familia a la que pertenecen atendiendo al fenmeno apreciado comoconsecuencia de la variacin de temperatura.

En laprimera clasificacin tendramos:

- Sin contacto: se realiza a travs de instrumentos pticos enfocados al punto del que sedesea medir su temperatura. Por ejemplo la medicin por infrarrojos.

- Con contacto: se denominan genricamente captadores de temperatura. En este caso esnecesario situar al transductor junto al cuerpo cuya temperatura se desea medir.

En la segunda clasificacin tendramos en cuenta las diferentes familias en las que se

pueden encuadrar atendiendo al fenmeno fsico-elctrico asociado. Adems tendramos encuenta el tipo de Sensor/Captador utilizado y otra serie de consideraciones.

En la tabla que a continuacin se desarrolla aparecen ordenados los transductores detemperatura segn este ltimo criterio de clasificacin. De todos ellos, a lo largo de los diferentesapartados, nos vamos a centrar en el estudio de los ms utilizados en los sistemas de adquisicinde datos, es decir, en los sistemas electrnicos de medida y control, as como en los msdifundidos y disponibles para el gran pblico.


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Familia Tipos Captadores/Sensores

Elctricos

Par termoelctrico Termopar

Resistencia metlica Sonda termomtrica (RTD)

SemiconductorTermistor (NTC, PTC)

diodo, transistor,circuito integrado

Cuarzo Cristal de cuarzo

pticos

Radiacin totalPirmetro ptico

Espejo de radiacin

Radiacin parcial

Bicromticos(de 2 colores)

Mecnicos

Dilatacin de slido Termmetro bimetlico

Dilatacin de fluidoo de gas

Termmetros de vidrio,de bulbo y capilar

Otros

Cristales lquidos Cristales lquidos

De marca Pinturas termosensibles

De fibra ptica Fibra ptica

1.3.1.- DETECTORES DE TEMPERATURA RESISTIVOS

Los detectores de temperatura resistivos (RTD), denominados tambin sondas deresistencia o sondas termomtricas, se basan en la variacin de resistencia que experimentan losmetales ante variaciones de temperatura.

La explicacin fsica de este hecho es la siguiente:

Al aumentar la temperatura, la agitacin trmica de los electrones (vibracin alrededor

de su posicin de equilibrio) tambin lo hace, reducindose el espacio fsico para el

desplazamiento de estos y por tanto su velocidad media. Todo ello se traduce en un aumento de

la resistencia al aumentar la temperatura, de ah que los RTD tenga un coeficiente de

temperatura positivo.

En la figura 1.14. podemos ver el smbolo general empleado para este tipo de sensoresy el significado de sus diferentes partes:


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R(T)R0[1n 1.nTn]

R(T)R0[1.T]

Fig. 1.14. - Smbolo general de un RTD.

En este tipo de detectores, la resistencia a una determinada temperatura, R(T), vieneexpresada as:

aunque como la variacin de R(T) es bastante lineal en mrgenes grandes de temperatura, sesuele utilizar la versin aproximada de la expresin anterior:

donde:. = Coeficiente de temperatura resistivo del material, el cual interesa que sea de gran

valor para aumentar la sensibilidad, y constante con la temperatura para aumentarla linealidad. Se mide en (C-1 y se suele dar para 0(C.R0= Resistencia del material a 0(C y viene determinada por las dimensiones del RTD

y la resistividad del material empleado (!). Interesa que la ! del material sea altaya que implica menos material y por tanto menos tamao para conseguir unamisma Ro. Adems disminuye el tiempo de respuesta y la resistencia del RTDser siempre mucho mayor que los hilos de conexin, disminuyendo la influenciaen la medicin.

T = Temperatura en (C.

En cualquier libro de anlisis de materiales (fsica, qumica, etc.) podemos encontrar elvalor de los parmetros anteriores para los materiales ms frecuentemente utilizados en lafabricacin de RTD y que son: Plata, Oro, Tungsteno, Cobre, Nquel y Platino.

El oro y la plata se usan raramente debido a su baja resistividad y alto coste. El tungstenotiene elevada resistividad pero es muy frgil, lo que dificulta su manejo; para altas temperaturass es bastante usado. Por todo ello, los materiales por excelencia usados en la fabricacin de RTDson el cobre (cada vez menos), el nquel y el platino.

De este ltimo prrafo podemos deducir que el material ideal para construir un RTDtendra estas caractersticas:


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- RTD aislado por mica.-El conductor (metal sensor) se enrolla sobre un ncleo de mica y con este mismo aislante

se cubre todo. Posteriormente se introduce todo en una vaina metlica, que proteger al conjuntode vibraciones y golpes, adems de proveer una buena transferencia trmica entre el conductory el exterior. La figura 1.16. muestra grficamente la estructura comentada.

Fig. 1.16.- RTD aislado por mica.

- RTD sellado en cermica.-Igual que antes, el conductor va sobre un soporte, pero en este caso cermico, el mismo

material que cubre a todo el elemento. Este tipo de RTD, mostrado en la figura 1.17, responderpidamente a cambios de temperatura, debido a los pequeos tamaos en que suelen fabricarse.

Fig. 1.17.- RTD sellado en cermica. Elevado aislamiento.

- RTD sellado en vidrio.-En este caso el metal usado como sensor se funde en un soporte de vidrio por lo que todo

queda perfectamente homogneo. No se deben usar por encima de los 400(C.

Para finalizar este repaso a los diferentes modelos fsicos de los detectores de temperaturaresistivos (RTD), se ha incluido en la figura 1.18. una serie de encapsulados para un tipoparticular de RTD: los de pelcula fina de platino. Este tipo de RTD adoptar uno u otro modelode encapsulado dependiendo esencialmente del medio en el que se va a llevar a cabo la medicinde temperatura.


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Fig. 1.18.- Encapsulados de sensores de platino de pelcula fina.

Acondicionamiento de seal

Para adaptar las variaciones de resistencia que se producen en un RTD al circuito que vaa tratar la informacin, se suelen utilizar los mismos montajes o circuitos que en los dems

transductores que tambin varan su resistencia con el fenmeno a medir: puente de Wheatstone,amplificadores de instrumentacin, acondicionadores integrados, etc.

Uno de los acondicionadores ms utilizado en estos casos y tambin fcil de analizar esel mostrado en la figura 1.19.

Fig. 1.19.- Circuito acondicionador bsico para RTD.


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VoR1

R2

R1V

RTDR1

R2

R1I#RRTD

En dicho circuito, se hace circular una corriente constante por el RTD, por lo que lasvariaciones de resistencia (debido a los cambios de temperatura) provocarn variaciones

proporcionales de la tensin VRTD. Al ser un amplificador no inversor, tendremos:

es decir, la salida (Vo) es directamente proporcional a la resistencia que en cada instante poseael RTD. Suponemos I lo suficientemente estabilizada en el margen de trabajo.

Los acondicionadores de seal integrados para los RTD, suelen ser los utilizados paraotros transductores/sensores que tambin estn basados en la variacin resistiva. Su composicin,en general, suele ser la mostrada en la figura 1.20. y como ejemplos de estos circuitos, pueden

citarse el 2B30 y el 2B31 de Analog Devices.

Fig. 1.20.- Esquema general y simplificado de un acondicionador de seal integrado para RTD.

1.3.2.- TERMISTORES

Los termistores son sensores resistivos, pero basados en semiconductores. Por tanto, nosvalemos de los cambios de resistencia elctrica que experimenta este tipo de material al variarla temperatura del medio en el que se encuentra.

Su simbologa define los dos tipos que hay, con coeficiente de temperatura positivo ynegativo. El primer tipo aumenta la resistencia entre sus terminales cuando lo hace la temperaturaque afecta a su cuerpo. Sin embargo, en el segundo tipo, sucede todo lo contrario, ya que unaumento de la temperatura provoca una bajada de la resistencia medida en sus terminales. Enambos tipos se da el correspondiente "... y viceversa".

Podemos observar en la figura 1.21. el tramo recto que aparece en el extremo inferior dela lnea transversal, el cual nos indica que la funcin que relaciona la resistencia con latemperatura no es lineal, a diferencia de como suceda con el smbolo y funcin del RTD.


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R(T) RN

e

B

T

B

TN

R(T) A C # eB T

Fig. 1.21.- Smbolos del termistor: PTC y NTC.

Termistores de coeficiente de temperatura negativo (NTC)

En estos sensores, si la temperatura aumenta, su valor resistivo disminuye.

La funcin que relaciona a ambos parmetros en un margen de temperatura reducido(50(C) es:

donde:

RN = Resistencia nominal del termistor a una temperatura nominal dada.TN = Temperatura nominal a la que se da RN.B = Constante que depende del material.

Los valores de RN y B dependen del proceso tecnolgico utilizado en la fabricacin delNTC. Por este motivo es muy frecuente una gran dispersin de valores an dentro de las mismasseries. Esto trae como consecuencia la necesaria calibracin del termistor cuando se quiereutilizar para un termmetro de precisin.

Termistores de coeficiente de temperatura positivo (PTC)

Estos sensores suelen fabricarse con materiales semiconductores menos comunes que losutilizados para los NTC. As, tenemos PTC que utilizan materiales ferroelctricos prensados yotros utilizan semiconductores bsicos (Si) pero fuertemente dopados.

La funcin que relaciona temperatura y resistencia en un PTC, en su margen detemperatura intermedio es

donde A depende esencialmente, de las dimensiones del termistor y es un valor de resistenciaresidual. El parmetro C es el valor a 0(C de la resistencia del termistor.


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Circuitos acondicionadores

Son semejantes a los sugeridos para los RTD, con la importante salvedad que supone lacondicin "no lineal" de los termistores. Por ello, se ha de hacer una linealizacin de sucomportamiento. La forma ms cmoda y fcil es colocarle una resistencia en paralelo, tal como

muestra la figura 1.22. Con esto, el valor del paralelo RTR para las diferentes temperaturas,sigue una variacin bastante lineal, en comparacin con como variaba RT sola.

Fig. 1.22.- Linealizacin del termistor mediante R paralelo.

Comparativa entre los termistores y los RTD

La tabla que se muestra a continuacin nos da una idea de las prestaciones de los trestipos de sensores de temperatura estudiados y que se puede analizar a modo de comparativa.

Caracterstica Metlico NTC PTC

Estabilidad Buena Regular Mala

Repetibilidad Buena Regular Mala

Sensibilidad Baja Alta Muy alta

Linealidad Alta Baja Baja

Rango de T Alto Bajo Bajo

Rango de R(T) Bajo Alto Alto

Precio Alto Bajo Bajo

Para finalizar el repaso general que hemos hecho de los termistores, conviene tener unaidea del tamao y forma que realmente suelen tener este tipo de sensores. En la figura 1.23podemos observar una gran variedad de formas y encapsulados de NTC, que se adaptan amltiples superficies y fluidos de los cuales se desea medir la temperatura. Los PTC suelen tenerformas parecidas a los de la figura 1.23.


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Fig. 1.23.- Distintas formas para termistores NTC.

1.3.3.- OTROS TRANSDUCTORES DE TEMPERATURA

En este punto haremos referencia a otros transductores de temperatura que hacen uso dedeterminadas propiedades de los materiales para la captacin termomtrica.

Transductores de temperatura de unin semiconductora

Este tipo de transductores es bastante utilizado y se basan en un efecto muy poco deseadoen la mayora de las ocasiones: la variacin que experimenta la tensin en la unin N-P de unsemiconductor cuando la temperatura en su entorno tambin vara.

Por tanto, para este tipo de transductores podremos utilizar diodos y transistores (con launin C-B cortocircuitada). La respuesta que estos semiconductores dan es muy poco lineal, porlo que se suele recurrir a los transductores de unin semiconductora integrados, los cuales,aunque basados en uniones N-P, aaden en el proceso de fabricacin una linealizacin de lafuncin temperatura-tensin en la unin. Esos tipos de integrados nos suelen ofrecer salidas enforma de corriente o en forma de tensin.

Analicemos someramente algunos de estos transductores en sus versiones comerciales:


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1Tiempo necesario para que (en el ambiente definido) estando a T0 y llevado a T1 (medianteautocalentamiento por paso de corriente) pase a una temperatura T0 + 0.368 (T1-T0), tras la interrupcin brusca de

la corriente.


VOUTT

VOUTT

o

#T

To

T Temperatura a medir ((K)T

o Temperatura de referencia ((K)

VOUTTo

Voltaje de salida a To

-AD 590 de Analog Devices: Proporciona una corriente de salida en A igual a latemperatura aplicada en grados centgrados, o sea, IT(A) = T((C). El margen de alimentacinest entre +4 y +30 V. El margen de temperatura de funcionamiento entre -55(C y 150(C conun error 10 M); poco sensible a los cambios de alimentacin (siempredentro de un margen razonable).

- Familia LM x35 de National Semiconductor: Son sensores de alta precisin queproporcionan un voltaje directamente proporcional a la temperatura absoluta. Funcionan comoun zner con tres terminales (uno se utiliza para realizar una fcil calibracin), cuyo voltajeinverso en el codo vara a razn de 10 mV/(K. Su salida viene dada por la expresin:

donde:

Un resumen de sus caractersticas es:

- Corriente de operacin entre 400 A y 5 mA.

- Si se calibra a 25(C (298(K) ofrece un error tpico menor de 1(C sobre un rango detemperatura de 100(C.

- Rango de temperatura de funcionamiento: -55(C y +150(C.- Bajo coste.

Termopares o sondas termomtricas

El termopar es un dispositivo capaz de transformar las variaciones de energa trmica envariaciones de energa elctrica. Su diferencia fundamental con los transductores vistos hastaahora, estriba en que no necesitan una energa adicional para realizar dicha conversin, es decir,

son transductores autnomos o activos.

El termopar est constituido por dos conductores (metales) unidos por uno de susextremos (figura 1.24 a). Esta unin recibe el nombre de unin caliente (U.C.) o unin sensora(U.S.), por ser la que se encuentra a la temperatura a medir. Los otros dos extremos (uno de cadaconductor) estarn a una misma temperatura que es la de referencia.


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A efectos de estudio, el termopar se puede considerar unido por ambos extremos (figura1.24 b). Uno de ellos ser la unin caliente o sensora y el otro la unin fra (U.F.) o de referencia(U.R.) y se debe mantener a una temperatura constante.

Fig. 1.24.- Constitucin real del termopar (a). Termopar a efectos de estudio (b).

Estos transductores generan una d.d.p.,V, proporcional a la diferencia de temperaturaentre sus uniones (T - To), la cual nos servir para realizar la medida de T. Hay que hacer notarque los termopares tambin se emplean para medir presiones, flujo, radiaciones infrarrojas, etc.

El principio de funcionamiento de los termopares est basado en el efecto Seebeck, quea su vez, rene en s los efectos Peltier y Thomson. Dicho efecto consiste en que si se tienen dosmetales distintos unidos por sus dos extremos (termopar) y los calentamos de forma que se

mantenga una diferencia de temperatura entre las uniones, aparece una diferencia de potencial(d.d.p.), y en consecuencia, una corriente en el circuito formado por los metales, tal como muestrala figura 1.25.

Fig. 1.25.- Efecto Seebeck en un termopar.

En la figura se indica V e I, que son la d.d.p. y corriente generadas como consecuenciade que T g To. Aunque abramos el termopar, la d.d.p. V se conserva y aparece entre los borneso extremos de apertura.


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El efecto Seebeck es reversible: si hacemos que circule una corriente por un termopar,cuyas uniones estuviesen inicialmente a la misma temperatura, aparecer una diferencia detemperatura entre dichas uniones y ser proporcional a dicha corriente.

Por ltimo, incluimos una tabla en la que se sealan los principales tipos de termopares,

as como su composicin y caractersticas principales.

Tipo determopar

Composicin Rango detemperatura

Tolerancia

Polo + Polo -

B Aleacin Platino-Rodio(30%)

AleacinPlatino-Rodio

(6%)

+600(C a+1700(C 4(C 0'5%

R Aleacin Platino-Rodio(13%)

Platino 0(C a +1600(C 1'5(C 0'25%

S Aleacin Platino-Rodio(10%)

Platino 0(C a +1600(C 1'5(C 0'25%

K Aleacin

Ni-C

Aleacin

Al-Ni

0(C a 1000(C 1'5(C 0'4%

0(C a 1200(C 2'5(C 0'75%

-200(C a 0(C 2'5(C 1'5%E Aleacin

Ni-Cr

Aleacin

Cu-Ni

0(C a 800(C 1'5(C 0'4%

0(C a 800(C 2'5(C 0'75%

-200(C a 0(C 2'5(C 1'5%

J Hierro AleacinCu-Ni

0(C a 750(C 1'5(C 0'4%

0(C a 750(C 2'5(C 0'75%

T Cobre Aleacin

Cu-Ni

0(C a 350(C 0'5(C 0'4%

0(C a 350(C 1(C 0'75%

-200(C a 0(C 1(C 1'5%

1.4.- DETECTORES DE LUMINOSIDAD

Bajo este ttulo vamos a incluir a todos aquellos transductores que hacen uso de lasradiaciones luminosas para su funcionamiento. As podremos encontrar sensores que se limitan


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3

1eV=1.6x10-19

J


RA#E .

MATERIAL ANCHO B.P.(eV)3 (m)SCd 2'40 0'52SeCd 1'80 0'69Si 1'12 1'10Ge 0'67 1'85

AsIn 0'35 3'54SePb 0'27 4'58

Aspectos positivos y negativos de las LDR

Un factor negativo a considerar de las LDR es su no linealidad, es decir, la relacin entrela energa luminosa aplicada (E) y la resistencia elctrica medida (R), no sigue una funcin lineal.Aproximadamente viene dada por una expresin del tipo:

donde A y . dependen del material y las condiciones de fabricacin. Otro factor nada bueno quese da en las LDR, es que la respuesta al subir la iluminacin que incide sobre ella no sigue lamisma lnea que la respuesta al bajar dicha iluminacin. Tambin son sensibles a la temperatura.

Como aspectos positivos podemos sealar su robustez para distintos medios, su fcilinstalacin, construccin no excesivamente compleja y sobre todo posibilidad de incluir mltiplestipos de materiales fotosensibles a gran variedad de radiaciones luminosas.

Fig. 1.27.-Diferentes vistas y encapsulados para LDR.


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En la figura 1.27. podemos observar varios aspectos fsicos de una LDR: vista superior, seccintransversal-lateral y tipos de encapsulado. En la vista superior se puede observar el zig-zag quesigue la capa fotoconductiva con el fin de aprovechar al mximo la superficie de incidencia dela iluminacin.

Materiales y comportamiento de las LDR

A temperatura ambiente, los materiales fotoconductores ms utilizados son sulfuros deltipo SCd, SPb y SePb, en particular el primero.

Las aplicaciones de las LDR de uso comn estn en los receptores de TV (controlautomtico de brillo y contraste), cmaras fotogrficas, deteccin de fuego, control deiluminacin de vas pblicas, etc.

En la figura 1.28. hemos reproducido una grfica que nos muestra aproximadamente larelacin que puede haber entre la resistencia ofrecida por una LDR entre sus terminales y lailuminacin que sobre ella incide.

Fig. 1.28.- Caracterstica resistencia-iluminacin de una LDR.

Observar que se han elegido escalas logartmicas y por tanto aparece una funcin lineal.Si las escalas hubiesen sido lineales, la funcin tendra forma exponencial, tal como correspondea la expresin R = f(E) dada anteriormente.

1.4.2.- FOTODIODOS

Cuando una unin N-P (diodo) es polarizada inversamente, se genera una zona desiertaque hace de la corriente circulante un mnimo (corriente inversa de saturacin). Esta zona desiertacarece de las correspondientes parejas electrn-hueco que permiten una fcil circulacin decorriente. Si exponemos a una energa luminosa la zona desierta del diodo, se pueden "arrancar"


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SUPERFICIE AVARIAS DISTANCIASDE LA FOTOCELULA

EMISOR

LENTES DE

TRANSMISION

RECEPCION

LENTES DE

CONTROL DERADIACION

EMITIDAETAPA

DE SALIDA

DETECTOR SENSIBLEAL LUGAR DE INCIDENCIA

(PSD)

En la figura 1.30. se ha representado el smbolo frecuentemente utilizado para identificara un fototransistor.

Debido a su mayor poder de amplificacin y su elevada sensibilidad en diferentesmodelos de fabricacin, el fototransistor se va haciendo de uso ms comn que el fotodiodo en

mltiples aplicaciones de deteccin luminosa. Tal como suceda con el fotodiodo, se fabricanfototransistores sensibles a una elevada variedad de longitud de onda ptica, hecho ste, queaumenta sus campos de aplicacin.

1.4.4.- FOTOCELULAS

Las fotoclulas son sensores que detectan objetos y determinan las distancias a las quese encuentran estos, empleando una fuente o emisor de luz (normalmente en el espectroinfrarrojo), un detector y una circuitera adicional. Poseen una gran importancia en aplicaciones

industriales y su uso es cada vez ms frecuente.Existe una amplia variedad de fotoclulas en el mercado, orientadas a muy distintas

aplicaciones. Ello implica que su aspecto externo est adaptado al uso que se le va a dar. Encuanto a su circuitera interna, las hay ms o menos complejas y van desde aquellas que poseenel total de la circuitera de emisin y recepcin hasta aquellas que las llevan fsicamenteseparadas en dos mdulos independientes.

A pesar de esta diversidad, podemos hablar de una configuracin tpica de estosdispositivos, como puede ser la mostrada en la figura 1.31.

Fig. 1.31.- Configuracin tpica de una fotoclula.


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- Circuito de control de radiacin emitida (Driver del emisor): Aporta una seal en forma depulsos al emisor (lser semiconductor, LED, lmpara de incandescencia). La potencia de dichaseal es elevada, de forma que la salida del emisor tenga la suficiente energa como paraconseguir grandes distancias y mnimas interferencias de la luz exterior.

- Emisor: Puede ser de alguna de las formas citadas anteriormente. La lmpara, igual que los LEDrojo y verde, proporcionan luz visible, lo que permite alinear fcilmente el haz entre emisor yreceptor. Su principal inconveniente es la disipacin de potencia y un perodo de vida ms corto.Los LED ms utilizados suelen ser de infrarrojos, por su relativa inmunidad a la luz ambientaly su mayor salida luminosa, lo que se traduce en una mayor distancia de deteccin.

Por ltimo, el diodo lser (visible o infrarrojo), se emplea en aplicaciones donde senecesita alta precisin, debido a que se consiguen rayos de luz muy estrechos y de escasaapertura, limitando as el tamao de la zona de deteccin.

- Lentes: Su funcin esencial es la de hacer converger los rayos luminosos que reciben hacia unpunto determinado, bien en el exterior de la clula (de transmisin), bien en el interior de sta (derecepcin). Como funcin adicional, las lentes pueden llevar incorporado un filtro polarizador,el cual slo dejar pasar radiaciones luminosas en un solo plano.

- Receptor: Si bien en la figura 1.31. se puso de detector uno de los ms complejos (PSD), estemdulo puede ser tan bsico como una simple LDR, fotodiodo o fototransistor, actuando en ON-OFF. El PSD (Position Sensitive Detector) se utiliza en las fotoclulas de desplazamiento. Susespeciales caractersticas (alta linealidad, buena resolucin y rpida respuesta) hacen de estesensor uno de los ms utilizados en el campo industrial.

- Etapa de Salida: Es un circuito bastante complejo, que constar de: la interface con el receptor,filtros, acondicionador de seal, temporizacin, etc. Cuanto ms complejo sea el elementoreceptor ms lo ser la etapa de salida.

En el caso del PSD, la interface con el receptor tendr dos entradas (adems de la comn),a partir de las cuales se calcula la distancia a la que incidi el haz sobre la superficie del PSD.Adems ste mdulo que hemos denominado genricamente etapa de salida, puede incluir:display para informacin inmediata y programacin, conexiones RS-232 y GPIB, salida digitaly analgica, CPU, etc. Un ejemplo de etapa de salida para una fotoclula de desplazamiento conreceptor tipo PSD es el mostrado en la figura 1.32., en la cual se pueden observar algunos de los

elementos relacionados y otros que ayudan a obtener una mejora de las prestaciones del sistemaen general.

As, la CPU nos permite formar una tabla con los valores suministrados por el conversorA/D, adems de hacer una compensacin lineal de dichos valores. Tambin se puede encargarde promediar valores digitales consecutivos de forma que se pueda introducir entre ellos otrosnuevos que sirvan para obtener una mejor definicin de la seal digital y analgica de salida.Adems, podemos observar el mdulo denominado control de transmisin y display, el cualtiene un doble cometido: hacer de interface entre el panel de control (teclado) y el resto delsistema, y proporcionar un canal de comunicacin para la transmisin de datos entre el exteriory el interior, va GPIB y RS-232.


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Fig. 1.32.- Etapa de salida para fotoclula de desplazamiento con receptor tipo PSD.

Aplicaciones de las fotoclulas

Entre las ms difundidas e importantes aplicaciones de las fotoclulas podemos citar lassiguientes:

- Posicionamiento correcto de componentes en placas de circuito impreso.- Deteccin de polaridad de condensadores electrolticos.- Posicin de un display de cristal lquido.- Medida de la distancia entre pines de los chips.- Deteccin de niveles de lquidos en determinados procesos qumicos.- Control y automatizacin de alumbrados.- Contador digital de elementos en una cadena.- Etc.

1.5.- TRANSDUCTORES DE ULTRASONIDOS

Los ultrasonidos son un fenmeno acstico-mecnico que consiste en la vibracin de laspartculas materiales de un medio. Cuando hablamos de ultrasonidos, la vibracin se produce auna frecuencia superior al lmite mximo audible por el ser humano, es decir, por encima de los20 KHz.

El estudio del fenmeno de los ultrasonidos se reduce, por tanto, a la teora de ondassonoras. Este estudio habr que llevarlo a cabo con unas connotaciones especficas que vienenimpuestas por la mayor frecuencia de trabajo, y orientarlo a las aplicaciones tan interesantes quese derivan de sus caractersticas.


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Estas aplicaciones se van a basar en dos fenmenos principalmente:

- Utilizacin de la energa mecnica transmitida por las ondas. Esto permitir usartransductores sensibles a la presin que ejercen estas ondas ultrasnicas.

- Anlisis de la onda una vez que ha pasado por un medio bajo prueba.

1.5.1.- TIPOS DE TRANSDUCTORES DE ULTRASONIDOS

Se denomina transductor de ultrasonidos tanto a un elemento que convierte la energaelctrica en ultrasonidos (emisor) como a aquel que efecte la conversin contraria, deultrasonidos a energa elctrica (receptor). A los transductores que pueden realizarindistintamente las dos funciones con similar eficiencia se les denomina reversibles.

Los tipos de transductores ms importantes son los piezoelctricos, magnetoestrictivos,mecnicos, electromagnticos y electroestticos.

Transductores piezoelctricos para ultrasonidos

Se basan en el efecto piezoelctrico (ya comentado en puntos anteriores), son reversiblesy su rango de frecuencias de utilizacin va desde algunos KHz. hasta los MHz. Tal como sucedapara los transductores piezoelctricos de carcter general comentados al inicio del tema,podremos encontrarnos materiales naturales (cuarzo, turmalina, sulfuro de cadmio, etc.) yartificiales (cermicas).

En muchos transductores piezoelctricos de ultrasonidos se suelen utilizar las cermicasya que presentan la ventaja de no depender su efecto piezoelctrico de la direccin de corte (loque s sucede en los naturales) y se pueden construir de forma cncava para enfocar el hazultrasnico, con la ventaja que ello supone.

Desde el punto de vista del ancho de banda, este es pequeo en los naturales, utilizndoseestos para la transmisin de forma continua, donde se requiere estabilidad de frecuencia. Por otrolado los cermicos presentan un mayor ancho de banda, siendo ms propicios para la emisin depulsos y evitando as el sobrecalentamiento, que podra alterar sus propiedades piezoelctricas.

Para conocer mejor las caractersticas de un transductor ultrasnico piezoelctrico, vamosa analizar el mostrado en el dibujo que se encuentra en la figura 1.33., el cual, tiene uncomportamiento bastante completo y ser un excelente ejemplo.


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Fig. 1.33.- Interior de un transductor ultrasnico piezoelctrico.

Cuando este transductor es conectado al equipo de ultrasonidos, transmite la ondaultrasnica y recibe sus reflexiones al incidir sobre un obstculo. Un transductor de este tipopuede ser utilizado tanto de emisor como de receptor, dependiendo de la conexin que se hagaal equipo de ultrasonidos.

En su interior, un pequeo cristal piezoelctrico sirve como transmisor y/o receptor deondas ultrasnicas. Como materiales piezoelctricos suelen utilizarse cuarzo, titanato de bario,y circonato de plomo, los cuales tienen buenas caractersticas para convertir seales elctricas enondas ultrasnicas y viceversa.

El material piezoelctrico del transductor es cubierto con dos lminas conductoras en susdos superficies paralelas. Si un voltaje es aplicado a las lminas, el cristal piezoelctrico cambiarsu espesor en funcin del voltaje aplicado. Similarmente, si el cristal es sometido a un stressmecnico (por ejemplo, un pulso ultrasnico) de tal modo que sea deformado, un voltajeaparecer entre las lminas conductoras que lo rodean y por tanto en los conductores que salende ellas. Este voltaje ser proporcional al esfuerzo o deformacin mecnica (stress). Un voltajealterno producir un cambio alterno del espesor del cristal, y viceversa.

Una vez analizado el funcionamiento del transductor mostrado en la figura 1.33., vamosa finalizar comentando algunas de sus partes ms importantes (adems del cristal piezoelctrico).


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- Amortiguador (Backing Layer): es un elemento fundamental en este tipo de transductores. Susfunciones son:

- Reducir el tiempo de oscilacin del cristal, y en consecuencia, reducir la duracindel impulso.

-Absorber las ondas que pudieran resultar perturbadoras.

- Servir de soporte al cristal piezoelctrico.

La primera de las funciones es quizs la ms importante, ya que la duracin del impulsoacstico influye decisivamente en el poder de resolucin. Para conseguir un buenamortiguamiento se utiliza un material de elevada impedancia acstica (resistencia que ofrece ala vibracin) con un elevado coeficiente de atenuacin para absorber ondas perturbadoras. Estasolucin de compromiso se consigue utilizando materiales compuestos, basados en resinassintticas tales como el dioxido de manganeso, minio, etc.

- Carcasa (Housing): suele ser de aluminio y envuelve a todo el transductor, con el fin de dotarle

de una mayor rigidez y mejorar sus prestaciones mecnicas.- Sintona (Tuning coil): permite mejorar el ajuste para trabajar a una frecuencia determinada.Modifica el tamao del espacio interior del transductor de forma que hace ms o menos fcil lavariacin de tamao del cristal.

- Superficie de acoplamiento (Matching Layer): es la capa que cubre al cristal piezoelctrico.Puede ser desde un simple protector del cristal hasta una lente acstica, de forma que tanto laemisin como la recepcin tengan un punto de enfoque, en el cual se concentran todos los hacesultrasnicos, confiriendo una mejora notable en el comportamiento general del transductor. Enpuntos posteriores haremos una mencin especfica a las lentes acsticas.

Transductores magnetoestrictivos

Se realizan con materiales ferromagnticos, esto es, metales como el nquel, el cobaltoy el hierro, que son fcilmente magnetizados y que presentan el efecto de magnetoestriccin: sedeforman cuando estn sometidos a un campo magntico y viceversa, es decir, vara el flujomagntico a travs de ellos cuando son sometidos a una carga mecnica (por ejemplo, un pulsoultrasnico).

Fig. 1.34.- Modelo simplificado del transductor magnetoestrictivo.


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En la figura 1.34. vemos una simplificacin de un transductor magnetoestrictivo. El flujoinducido por la bobina de polarizacin sobre la otra es prcticamente constante mientras est enreposo (por tanto no habr fem inducida). Cuando un pulso ultrasnico (o carga mecnica)"choca" con la varilla, esta se deforma, lo que provocar una variacin del flujo magntico quellega a la bobina de excitacin. Esta variacin de flujo provoca una fem inducida, lo que hace

variar a su vez la corriente que circula entre los terminales de dicha bobina y que ser recogidapor el adaptador de seal correspondiente.

Transductores mecnicos

Se usan casi exclusivamente en aplicaciones de alta intensidad en lquidos y gases, parafrecuencias superiores a los 25 KHz. Son generalmente ms potentes y menos caros que lospiezoelctricos y magnetroestrictivos. Los dos tipos principales de emisores son el silbato y lasirena.

- Silbato: se basa en pasar un gas o un lquido a alta velocidad a travs de un orificio o

sobre un borde afilado; es el principio en el que se basa cualquiera de los silbatos audiblesconocidos pero con mayor sofisticacin y precisin.- Sirena: se basa en un disco que gira a una determinada velocidad, al cual se le han hecho

unos agujeros formando circunferencias concntricas. Frente a este disco hay otro fijo, el cualtiene unas toberas por las que fluye un gas (normalmente aire) que incide directamente sobre losagujeros del disco mvil. La frecuencia ultrasnica emitida ser igual al nmero de veces que seinterrumpe el flujo de gas, es decir, al nmero de agujeros por la velocidad de rotacin.

Transductores electromagnticos

Se basan en el movimiento de una bobina portadora de corriente en el seno de un campo

magntico. Comnmente se usan para frecuencias audibles en forma de altavoces y micrfonos,estando bastante restringida su aplicacin en ultrasonidos. Para recordar el principio defuncionamiento se puede recurrir nuevamente a la figura 1.3.

Transductores electrostticos

Consisten en dos placas paralelas de material conductor, entre las cuales se sita undielctrico, formando el conjunto un condensador.

Fig. 1.35.- Transductor ultrasnico electrosttico.


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arcsen1 22

2a

Una placa es fija, mientras que la otra puede vibrar libremente cuando sobre ella se ejerceuna presin tipo onda ultrasnica. Al transductor (condensador) se le coloca en serie unaresistencia de alto valor y una tensin constante de varios cientos de voltios, manteniendo as lasplacas cargadas, tal como se muestra en la figura 1.35.

Para la transmisin se aplica a las placas la tensin de excitacin variable, la cual produceuna variacin peridica las cargas inducidas y con ello el movimiento de la placa que puedevibrar. Como receptor, las vibraciones de la placa mvil producen cambios en la capacidad y conello, en la corriente que fluye. Esta corriente hace variar la cada de tensin en R, que nos sirvecomo salida.

Se usan en gases y lquidos para frecuencias de hasta algunos cientos de KHz.

1.5.2.- LENTES ACUSTICAS: ENFOQUE DEL RAYO ULTRASONICO

En la ecuacin:

se expresa la relacin entre el radio de la fuente emisora (a) y el ngulo de divergencia () unavez que el rayo ultrasnico empieza a divergir. En ella vemos que al disminuir el radio, estengulo aumenta. Por ello, normalmente, el radio de la fuente emisora se hace mucho mayor quela longitud de onda (), consiguindose una mayor distancia con el rayo sin divergir, como

consecuencia de la disminucin de . En algunas ocasiones, esta relacin /a tiene su lmite,recurrindose entonces a la concentracin del rayo ultrasnico mediante lentes acsticas. Estaslentes permiten concentrar toda la energa de un rayo ultrasnico en un punto, denominado deenfoque (P.E.).

Fig. 1.36.- Enfoque del rayo ultrasnico. A) Reflector curvo. B) Reflector parablico. C) Lente convergente.D) Emisor curvo (cermicos) .


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Existen varios tipos y posibilidades para las lentes acsticas, tal como se muestra en lafigura 1.36.

Un haz concentrado aumenta considerablemente la energa ultrasnica en el punto deenfoque (P.E.), hecho requerido en diversas aplicaciones de gran potencia. Como se puede

observar en la figura 1.36., las posibilidades de enfoque se basan, o en realizar el emisor de formacurva, o bien en incorporar un elemento adicional (reflector o lente acstica).

1.6.- DETECTORES DE HUMO Y FUEGO

Si bien este tipo de sensores no intervienen directamente en el control del procesoindustrial, es necesario su conocimiento, ya que s estn implicados de lleno en el entorno de laplanta. Efectivamente, cualquier sistema de medicin, control electrnico o adquisicin de datos,

no slo llevar un seguimiento de los parmetros implicados en el proceso de produccin, sinoque controlar tambin elementos fundamentales para la seguridad y el buen funcionamiento detoda la planta o entorno.

Cuando se tiene un sistema informtico para control, es normal que se utilicen al mximosus posibilidades en este campo, por lo que no slo se le dotar de entradas que vengan de lasmedidas electrnicas llevadas a cabo sobre los productos sino que tendr una serie de accesospara las alarmas del entorno: presencia de humos txicos o nocivos, fuegos incontrolados, etc.

Por todo lo expuesto, merece la pena desarrollar bsicamente el funcionamiento yactuacin de los detectores de humo y fuego, ya que no detectar la presencia de estos agentespuede anular cualquier buen diseo y funcionamiento de un sistema electrnico de medida ycontrol.

Indicador de fuego y humo

Cualquier producto de un fuego que cambie las condiciones ambientales podr serllamado indicador de fuego y es, por tanto, susceptible de ser usado para la deteccin de este. Elprincipal indicador de fuego usado en los detectores es el aerosol.

Los aerosoles son partculas suspendidas en el aire. El proceso de combustin (fuego)

lanza a la atmsfera gran nmero de partculas slidas y lquidas, las cuales pueden tener untamao comprendido entre 10 m y 1 nm. Los aerosoles que emanan de un fuego tienen dos tiposde partculas caractersticas. Las partculas menores de 0'3 m no dispersan la luz eficientementey se denominan invisibles. Las mayores de 0'3 m dispersan la luz y son clasificadas comovisibles. Las partculas invisibles del aerosol son conocidas normalmente comoproductos decombustin y las visibles como humo. Las partculas invisibles de aerosol son las que primeroaparecen y ya denotan la presencia de una combustin.

Llegados a este punto, queremos establecer una diferencia, quizs de matiz, pero desdeel punto de vista de los sensores, fundamental. Una cosa es la deteccin del fuego mediante losproductos que emite a la atmsfera, es decir, mediante el humo que desprende, y otra la deteccin


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de la llama, que se har mediante detectores o sensores de calor. Una deteccin no tiene porqueimplicar la otra, todo depender de la finalidad que se persiga.

Detectores de humo y fuego

En este punto vamos a comentar la deteccin del fuego mediante sensores que se valendel principal elemento que emana de ste (si exceptuamos el calor, que est ms prximo al lugarde la combustin), el humo.

Hay dos tipos bsicos de detectores de humo: fotoelctrico y de cmara de ionizacin.

Los detectores fotoelctricos de humo usan, o una lmpara de incandescencia (bombilla),o un LED, para enviar un rayo luminoso hacia su frontal. Cuando el humo entra en el detectorpor dicho frontal, la luz del rayo es reflejada por las partculas del humo llegando entonces aincidir en una fotoclula, con lo cual la alarma ser disparada. Mientras no haya humo, la

fotoclula no recibe luz procedente del LED o bombilla, ya que sta es emitida en direccinperpendicular al plano que ocupan el LED y la fotoclula. En la figura 1.37. se puede veresquematizada la estructura de un detector de humo fotoelctrico visto por la cara en contacto conel medio.

Fig. 1.37.- Detector de humo tipo fotoelctrico.

El detector de humo de cmara de ionizacin posee una pequea fuente de radiacin queproduce molculas de aire cargadas elctricamente, llamadas iones. Estos iones permiten quefluya una pequea corriente elctrica en el seno de la cmara. Las partculas de humo que entrenen la cmara neutralizarn por si mismas a los iones, reduciendo de este modo el flujo elctrico.Este cambio de corriente activar la alarma.

En la figura 1.38. se puede ver de un modo simplificado el funcionamiento bsico de estetipo de sensor de humo. Las partculas . son generadas por la fuente radioactiva. Estas partculasbombardean el aire, provocando su ionizacin. El aire ionizado permite que se cierre el circuitoentre los electrodos colectores y la alarma permanecer en reposo.

Cuando llegan los aerosoles (humo) las partculas ionizadas quedan neutralizadas y secorta el flujo de corriente entre los electrodos, por lo que la alarma detectar un aumento decorriente por ella (est en paralelo) y se disparar, avisando de la presencia del humo.


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Fig. 1.38.- Detector de humo por cmara de ionizacin.

Cuando se desea fabricar un detector de humo que rena las condiciones ptimas decalidad y fiabilidad, ste llevar incorporado ambos sistemas detectores: fotoelctrico eionizacin. Esto garantiza un disparo de la alarma para la ms mnima presencia de humo.

Detectores de llama

Los detectores de llama son detectores trmicos que actan cuando el calor es elevado,tpicamente 55(C - 60(C. Estas unidades constan de un elemento bimetlico que se dobla conel calor, debido a la diferencia en el coeficiente de dilatacin de ambos metales. Al doblarse,cerrarn un circuito que avisar de la presencia de una elevada temperatura. Puesto que estasunidades no detectan humo o productos de la combustin, no son recomendadas para reas dondehaya personas ya que cuando detecten la presencia de las llamas puede ser tarde: las personaspodran haber perdido el conocimiento por la presencia del humo. Los recintos donde s puedeser interesante instalar detectores de llama son: terrazas, garajes descubiertos, hornos, etc. Losdetectores de llama ms actualizados, utilizan las radiaciones ultravioletas que emiten las llamaspara avisar de su presencia. Tampoco son recomendables en lugares residenciales.

Las unidades detectoras de llama profesionales, deben responder tambin a ciertos tiposde gases (propano, monxido de carbono, butano, vapores de gasolina, etc.) que no podran serdetectados por los sensores de humo y fuego.

Por ltimo, recordar que la mayora de los fuegos domsticos producen aerosoles que noson detectados por los sensores de humo, debido al reducido tamao de sus partculas. Por elloes necesario contar en los lugares donde haya personas con los dos tipos de detectores: de humoy fuego y de llamas.


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1.7.- FIBRAS PTICAS

Si bien las fibras pticas no pueden ser consideradas transductores o sensores en elsentido estricto de la definicin que se dio para stos, s pueden incluirse en un estudio global deeste tipo de elementos, ya que su vinculacin con las fibras pticas, en algunos camposimportantes, es fundamental.

La fibra ptica es, en esencia, un conductor de luz, es decir, por su interior se produce unacirculacin de partculas luminosas. Esto las hace el medio idneo para transmitir la luz a grandesdistancias sin que se vea alterada en su composicin bsica.

Como se ha visto a lo largo de puntos anteriores, la luz ha sido la radiacinelectromagntica en la que se han basado mltiples aplicaciones y de la que se han "aprovechado"gran variedad de transductores y dispositivos electrnicos de control y medida (LDR, fotodiodos,fototransistores, LED, fotoclulas, medidores y contadores pticos, etc.).

Sin embargo, muchas veces interesa "llevar la luz" o "recoger la luz" a/de puntos remotoso de difcil acceso. Ah es donde entra en juego la fibra ptica. Adems veremos posteriormentelas mltiples aplicaciones que se le dan a estos conductores de luz.

Un ejemplo de esto ltimo son las fibras pticas desarrolladas en las fotoclulas, con elfin de dar respuesta a las crecientes necesidades y en ambientes adversos. Las fibras permitenllevar la luz procedente del emisor a sitios realmente recnditos, en los cuales no se podrainstalar una fuente emisora de luz de ninguna manera.

Principio de funcionamiento

La fibra ptica hace uso del principio de reflexin total interna.

Fig. 1.39.- (A) Refraccin de la luz cuando pasa de un medio a otro. (B) Fenmeno de reflexin total interna.

Cuando un rayo de luz pasa de un medio con un ndice de refraccin n1 a otro con ndicen2 y se cumple que n1 > n2, dicho rayo tiende a volver al medio de donde sali (fig. 1.39 (A)). Sila relacin entre ndices alcanza un valor adecuado, el rayo al incidir sobre el segundo mediovuelve en su totalidad al primero (fig. 1.39 (B)) producindose entonces la reflexin total interna.Para ello, se tendr en cuenta tambin el ngulo de incidencia del rayo, el cual ser fundamentalen las fibras pticas.


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NA sen .max n2c n

2r

Si, basndonos en este principio, construimos un elemento dotado de un ncleo con ndicede refraccin nc, rodeado en su totalidad por otro material (revestimiento) con ndice derefraccin nr, de forma que nr < nc, al incidir sobre su superficie transversal un rayo de luz,quedar confinado en su interior, propagndose a travs de l, tal como queda reflejado en lafigura 1.40.

Fig. 1.40.- Capas de una fibra ptica. Camino seguido por un rayo de luz a travs de la fibra.

La luz que entra en la fibra ptica se propaga a travs del ncleo en modos, querepresentan a los diferentes caminos posibles para las ondas luminosas. As, tendremos fibrasmonomodo y multimodo. Los modos posibles en una fibra ptica estarn en funcin del radio delncleo, longitud de onda de la radiacin y los ndices de refraccin del ncleo y revestimiento(nc y nr).

Para que en una fibra ptica se produzca la reflexin total interna del rayo que incidesobre su entrada, ste debe incidir dentro de un cierto ngulo (.), llamado ngulo de aceptacin.Cualquier onda que entre segn un ngulo mayor escapar a travs del revestimiento. Este nguloda lugar a un trmino fundamental en las fibras pticas: la apertura numrica NA. El conceptode apertura numrica es ampliamente utilizado para describir la potencia colectora de luz de lafibra y para calcular la eficiencia de acoplo fuente/fibra. Su expresin es:

donde .max

, representa el mximo ngulo de aceptacin y NA est en funcin de los ndices derefraccin de los materiales de la fibra.

El material empleado en la construccin de fibras pticas debe reunir tres caractersticasfsicas fundamentalmente, amn de las qumicas, que le confieren la calidad para el uso en lascomunicaciones y dems campos. Dichas caractersticas son:

- Fcil propagacin de la luz.- Fcil filamentacin.- Fcil calibracin de los ndices de refraccin.


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Dependiendo del uso que se le vaya a dar a la fibra ptica, el material cumplir en mso menos medida las exigencias anteriores. As, nos podremos encontrar desde fibras de plsticohasta fibras de vidrio con una calidad ptima. En todo caso y hablando de fibras con unasprestaciones adecuadas, la sustancia bsica es generalmente el slice de alta pureza, que alfundirse proporciona el vidrio, esencial en la construccin del ncleo. A la base de slice se

aaden boro, germanio, fsforo y aluminio, tanto en el ncleo como en el revestimiento, con elfin de controlar el perfil del ndice de refraccin.

Clasificacin de las fibras pticas

Atendiendo a las propiedades modales de las fibras pticas, se les puede agrupar en doscategoras: monomodo y multimodo.

En una fibra monomodo, la luz puede tomar un nico camino a travs del ncleo, quesuele ser sumamente fino (L < 10 m). Las fibras multimodo tienen ncleos de dimetros

mayores y permiten a la luz tomar varios caminos en su desplazamiento.Las fibras pticas monomodo son ms eficaces a largas distancias, pero requieren mayor

precisin en la fabricacin, empalme y terminacin.

Otra posible clasificacin de las fibras pticas se hace en funcin del ndice de refraccin,siendo de dos tipos: salto de ndice e ndice gradual.

En las fibras de salto de ndice, el ndice de refraccin es uniforme a lo largo del dimetrodel ncleo. En las fibras de ndice gradual, el ndice de refraccin es inferior en las proximidadesdel revestimiento que en el eje de la fibra. Las ondas luminosas se propagan ligeramente ms

lentas en las proximidades del eje del ncleo que cerca del revestimiento.

Agrupando las dos clasificaciones hechas para las fibras pticas, obtenemos tres tiposbsicos:

- Fibras multimodo de salto de ndice.- Fibras multimodo de ndice gradual.- Fibras monomodo de salto de ndice.

En la figura 1.41. se pueden ver los tres tipos en tres aspectos fundamentales:

- Seccin transversal.- Perfil del ndice de refraccin segn la distancia radial.- Posibles caminos que pueden seguir los rayos de luz.


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Fig. 1.41.- Tipos de fibra ptica. (A) Multimodo salto de ndice. (B) Multimodo ndice gradual. (C) Monomodo.

Ventajas e inconvenientes de las fibras pticas

El uso actual de fibras pticas est muy extendido en diversos campos de la ciencia,siendo en el de las comunicaciones en el que ha alcanzado una implantacin total y un ptimodesarrollo.

Las ventajas de la fibra ptica son muchas, destacando las siguientes:

- Estn hechas con material no conductor de la electricidad (dielctrico), lo cual implicalas siguientes ventajas:* Baja radiacin de seal.* Mayor seguridad de transmisin (difcil de "pinchar").* Inmunidad a la interferencia electromagntica y de radio-frecuencia.* Inmunidad a los relmpagos, rayos y arcos voltaicos. Ideal para instalaciones dealto voltaje.

- Pequeo tamao en lo que a dimetro se refiere, por lo cual:* Necesita poco espacio para su canalizacin.* Pocas modificaciones en las canalizaciones ya hechas.

- Baja atenuacin, por lo que:* Podr recorrer grandes distancias con bajo nmero de repetidores.* Menores costes de instalacin y mantenimiento.

- Al transportar seales de tipo ptico,* No necesitan puestas a tierra de seguridad.* No emiten "chispas" peligrosas.* Lo anterior permite su instalacin en ambientes inflamables.


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- Elevado ancho de banda, lo que permite:* Aadir nuevas seales en el futuro sin necesidad de ampliar el nmero de fibras.

Los inconvenientes de las fibras pticas, estn mayormente relacionados con el tipo deseal que utilizan, es decir, con la luz y su dificultad para mantenerla "encerrada" en un medio.

Entre los principales podemos citar:

- El acoplamiento entre la fuente luminosa y la fibra ha de ser ptimo para evitar prdidasde energa.

- Los empalmes entre fibras requieren una elevada precisin para no introducir excesivaatenuacin en la seal.

- Los acoplos mediante conectores son extremadamente complejos en cuanto a suconsecucin ptima, ya que deben hacer coincidir los ejes de las dos fibras con una tolerancia

mnima. Estamos hablando de dimetros que parten de unos pocos m.- Las derivaciones desde la lnea principal han de ser llevadas a cabo mediante alta

tecnologa.

- La extrema fragilidad de la fibra ptica hace que los cables (con mltiples fibras pticas)tengan que ser blindados, con el fin de dotarles de mayor robustez y menor radio de curvatura.

Adems tendremos en cuenta qu factores irrelevantes en otros tipos de cables para laconduccin elctrica, son importantes e influyentes en las fibras pticas. As podemos citar comofuentes de atenuacin en una fibra las siguientes:

- Variacin en el espesor del revestimiento.- Rugosidad en la superficie de contacto ncleo-revestimiento.- Micro-curvas (alabeos).- Impurezas en el material.- Etc.

Aplicaciones de las fibras pticas

Tras todo lo comentado, podr apreciarse que son innumerables las aplicaciones de las

fibras pticas en sustitucin de los convencionales cables metlicos y, como es lgico, muchasde ellas abarcan los ms variados campos, adems del ya citado de las telecomunicaciones. Elahondar en todas las aplicaciones de las fibras pticas nos llevara a una amplitud del tema queno es lo pretendido en esta exposicin, por tanto, hagamos un somero repaso de estas.

- Sensor de temperatura: se basan en los cambios de los ndices de refraccin queexperimentan las fibras al ser sometidas a cambios de temperatura.

- Sensor acstico interferomtrico: una misma fuente luminosa se aplica a dos fibras, unade referencia y alejada del lugar donde se producirn los sonidos; otra sometida a lascompresiones acsticas. Estas compresiones motivarn una distorsin en la fibra y alterarn su


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longitud ptica y consecuentemente cambiar la relacin de fases entre las seales recibidas enel otro extremo de las dos fibras. Recombinando ambas seales se obtendr la variacin relativade fase, que ser proporcional a la compresin acstica que se desea medir.

- Detector de niveles de lquidos: se basan en la diferencia de comportamiento de la luz

al pasar de la fibra al aire o directamente al lquido si este la cubre.

- Aplicaciones navales.- Giroscopio con fibra ptica.- Snar.- Satlites.- Aeronutica.- Inspeccin de cavidades (endoscopio).- Inspeccin de motores.- Sistemas de seguridad, etc.

A todas las aplicaciones relacionadas habra que aadir la fundamental de la fibra ptica,las comunicaciones. Un ejemplo genrico de un enlace mediante fibra ptica sera el mostradoen la figura 1.42.

Fig. 1.42.- Enlace simple de fibra ptica.

1.8.- OTROS TRANSDUCTORES

A lo largo de los siete puntos anteriores se han estudiado los transductores de uso mscomn en los sistemas electrnicos de medida y control. Ello no quiere decir que el resto no seaimportante, simplemente tenerlos en cuenta todos se hubiese salido de la idea general quepretende darse en este tema de introduccin.

A continuacin vamos a realizar una lista en la cual se citen otros transductoresinteresantes para facilitar la adquisicin de datos mediante sistemas electrnicos y adems sedescriben someramente sus caractersticas.


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Detectores de humedad

En las situaciones en las cuales el vapor de agua puede influir en procesos fsicos,qumicos o biolgicos, o simplemente alterar el comportamiento de sistemas electrnicos, esimportante tener controlado o monitorizado el valor de la humedad en el aire. En la prctica la

variable que se mide es la humedad relativa (RH), que se puede definir como la relacin entre lapresin del vapor de agua presente y la presin necesaria para la saturacin del ambiente, a unatemperatura y presin determinadas.

Existen diferentes mtodos para medir la RH, destacando principalmente los basados enel Principio Higromtrico y en el Principio Psicromtrico.

El primero de ellos se basa en el efecto que la humedad provoca en determinadosmateriales denominados higroscpicos: nylon, pelo natural, seda y fibras orgnicas. Un ejemplobsico es el higrmetro mecnico mostrado en la figura 1.43.

Fig. 1.43.- Higrmetro mecnico con materia orgnica.

Con la humedad se dilata la membrana y el muelle experimenta un desplazamiento a laderecha. Lo contrario sucede cuando disminuye la humedad. El desplazamiento del muelle setraduce a una escala de humedad, que en estos transductores se sita entre el 15% y el 95% (RH)con una precisin de 3%.

El segundo, se basa en el efecto "botijo". Tenemos dos sensores de temperatura: unodenominado bulbo seco y mide directamente la temperatura ambiente; el otro es el bulbo hmedoy va envuelto en material fibroso saturado de agua. A menor humedad, el agua se evapora ms,tomando calor del bulbo (enfriando el sensor). Si el ambiente estuviese saturado (100% RH) nose evaporara agua del bulbo y no bajara la temperatura del sensor hmedo, que se mantendraa la misma temperatura que el seco. La diferencia de temperatura entre ambos sensores se puedetraducir en RH mediante la denominada Tabla Psicromtrica.

Detectores de nivel de lquidos

Existen diferentes mtodos entre los que podemos citar:

- Flotador o boya: el nivel de lquido eleva una boya o flotador que hace girar una polea


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Detectores de proximidad

Cuando en algn proceso es necesario el conocimiento de la posicin de un objeto, estaoperacin se puede realizar bsicamente de dos formas: por contacto fsico con el objeto adetectar o por proximidad del mismo.

En la actualidad y salvo determinados tipos de procesos, se tienden a utilizar losdetectores de proximidad, debido a varias ventajas que estos presentan frente a los de contacto.

* Mnimo o nulo mantenimiento.* Elevado rendimiento y uso de elevadas frecuencias.* Alto nivel de proteccin frente a polvo, suciedad, humedad, etc.

Su clasificacin, en funcin del efecto en el que se basan, es:

- Capacitivo: se basa en medir la capacidad de un condensador (o su influencia en uncircuito oscilador) que se ve afectada por el objeto a detectar. El objeto podr interponerse entrelos electrodos (a modo de dielctrico) o podr ser uno de ellos, acercndose o alejndose del otro.En cualquiera de los dos casos la capacidad del condensador se ve afectada por la proximidad delobjeto.

-Inductivo: una bobina detectora (B.D.) alimentada por un oscilador (en un punto crticode realimentacin) generar un campo magntico. Cuando el objeto (conductor inductivoobligatoriamente) se introduce en el campo, una corriente lo recorrer y generar su propio campomagntico, que alterar al principal. Esta alteracin har que baje la realimentacin del oscilador,disminuyendo su frecuencia de oscilacin por debajo de un umbral, haciendo actuar un

disparador. Fig. 1.45.

Fig. 1.45.- Detector de proximidad inductivo.

- Opticos: se basan en un elemento sensor (que suele ser un fototransistor) a unadeterminada radiacin (normalmente en el infrarrojo) y un elemento emisor de la radiacincorrespondiente. Se montan fundamentalmente de tres formas, tal como queda expuesto en lafigura 1.46. En el caso c) se hace necesario que el objeto sea reflectante mnimamente.


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Fig. 1.46.- Detectores pticos. a) Montaje de barrera. b) Montaje rflex. c) Montaje de reflexin directa.

- Ultrasonidos: se basan en principios parecidos a los pticos pero con transductoresultrasnicos.

Detectores de caudal

Permiten evaluar el volumen de lquido por unidad de tiempo. Principalmente tenemosestos medidores o detectores de caudal:

- Medidor electromagntico: se basa en la ley de Faraday. As, un campo magnticoatravesando una tubera en direccin perpendicular al flujo del lquido (obligatoriamenteconductivo), provoca una corriente elctrica proporcional a la velocidad del lquido. Estacorriente, con direccin perpendicular a la del movimiento del lquido, llega a unos electrodosen contacto con ste (en extremos opuestos de un mismo dimetro o cuerda de la tubera),alcanzando a un transformador y dando lugar a una salida proporcional a la velocidad del lquido

y por consiguiente, al caudal instantneo.

-Medidor de turbina: se caracteriza por su bajo coste y elevada precisin y su principioes bsico; una hlice gira a una velocidad proporcional al caudal que fluye por la tubera. El girode la hlice es captado adecuadamente, traducindose en caudal.

Transductores de aceleracin

Son los encargados de convertir en seal elctrica magnitudes fsicas del tipo aceleracin,vibraciones y golpes. El elemento sensor es la denominada "masa ssmica", formada por unmuelle que generalmente tiene amortiguado su movimiento. As, cuando se aplica unaaceleracin al conjunto (fig. 1.47.), la masa se mueve con relacin a la caja que la contiene,mientras que al acabar la aceleracin el muelle hace retornar a la masa a su posicin original.

Si se conoce el valor de la masa y el de la fuerza o K del muelle, podemos conocerfcilmente la aceleracin. El desplazamiento lineal de la masa (o del muelle) es la magnitudrealmente medida.

Segn el elemento usado para medir el desplazamiento de la masa tendremos losacelermetros resistivos y los capacitivos.


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Fig. 1.47.- Acelermetro masa-muelle.

Otro tipo de transductores de aceleracin fueron expuestos en el punto 1.2.1., dentro delas aplicaciones de los materiales piezoelctricos (fig. 1.10. y 1.13.).

Por ltimo resear los acelermetros monolticos integrados, los cuales forman unsistemas completo de medida de aceleracin sobre un nico chip.

Transductores de fuerza y presin

Generalmente se habla de transductor de fuerza en el caso de los slidos, mientras quepara lquidos y gases se emplea el transductor de presin. Este hecho se debe a que la fuerzaejercida por los primeros es puntual (tiene una intensidad determinada independientemente dela zona de apoyo), mientras que los segundos ejercen una fuerza proporcional a la superficie que

los envuelve, actuando en todas las direcciones y siempre perpendicularmente a sta, porconsiguiente, una misma cantidad de lquido puede realizar distintas fuerzas dependiendo delrecipiente que lo contenga.

Para medir la fuerza, se evala sta a travs de la deformacin que sufre un materialcuando acta sobre l. Se necesita pues, en los transductores de fuerza, un elemento elstico queacte a modo de sensor.

Fig. 1.48.- Sensores de fuerza mecnicos.


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Los sensores de fuerza ms utilizados en los distintos tipos de captadores son soportes mecnicos,midiendo su deformacin en cualquiera de los ejes. Tambin se utilizan finas membranas que securvan cuando reciben una fuerza (pequea). En la figura 1.48. se pueden ver algunos de losprimeros.

Para los sensores de presin se utilizan, generalmente, elementos menos rgidos que paralos de fuerza, encontrndose entre ellos los siguientes:

* Membranas o diafragmas.* Fuelles.

Tanto para los transductores de fuerza como para los de presin se utilizan tambinelementos piezoelctricos cuyo funcionamiento bsico fue objeto de estudio anteriormente.

Transductores de desplazamiento

Como sucede con la mayora de transductores, su clasificacin suele hacerse en funcindel fenmeno fsico en el que se basan.

- Capacitivo: el mvil desplaza al dielctrico de un condensador. El cambio de capacidades proporcional al desplazamiento.

-Inductivo: este tipo convierte el desplazamiento (generalmente lineal) en cambios deautoinduccin de un devanado o de la induccin mutua de un transformador.

Dentro de los transductores de desplazamiento que hacen uso del fenmeno inductivo,

merece la pena citar el transformador diferencial de variacin lineal (LVDT), el cual se basa enla variacin de la inductancia mutua que se produce entre un primario y cada uno de lossecundarios al desplazarse a lo largo de su interior un ncleo de material ferromagntico,arrastrado solidariamente por la pieza cuyo movimiento se desea medir.

Fig. 1.49.- Esquema bsico del LVDT y funcin de transferencia.


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Al alimentar el primario con una tensin alterna, en la posicin central las tensionesinducidas en cada secundario son iguales y, al apartarse de dicha posicin el ncleo, una de lasdos crece y la otra se reduce en la misma magnitud.

Normalmente los dos devanados se conectan en serie-oposicin, por lo que una relacin

desplazamiento (x) - tensin generada (eo) podra ser la dada en la figura 1.49., junto al circuitorepresentativo del LVDT.

Hay otros tipos de transductores de desplazamiento cuya principal caracterstica es susalida de tipo digital (sucesin de 1 y 0), lo cual permite su fcil acoplo a los circuitos de control,que por lo general son de tipo digital tambin.

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