INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Profesional Culhuacan
Trabajo de Mediciones ³Transductores´ Profesor: Pérez Mendoza Sonia Grupo: 4EV3 Alumno: Mendoza Villamil Iván David
Lunes 5 de Marzo del 2011 1
INDICE INDICE ....................................................................................................................................................... 1 INTRODUCCION ....................................................................................................................................... 2 ¿QUÉ ES UN TRANSDUCTOR? ................................................................................................................ 3 ALGUNOS ALGUNOS CONCEPTOS RELACIONADOS RELACIONADOS CON LOS TRANSDUCTORES TRANSDUCTORES.......................... ............ ...................... ........ 4 CARACTERÍSTICA CARACTERÍSTICAS S DE LOS TRANSDUCTORES TRANSDUCTORES.......................... ............. .......................... .......................... ........................... ...................... ........ 5 TRANSDUCTORES TRANSDUCTORES DE DE TEMPERATURA TEMPERATURA......................... ............ .......................... .......................... .......................... ........................... ........................... ................... ...... 6 TERMORESISTENCIAS ..................................................................................................................... 6 TERMISTORES ................................................................................................................................... 7 TRANSDUCTORES TRANSDUCTORES DE ILUMINACIÓN ILUMINACIÓN O FOTOSENCIBL FOTOSENCIBLES ES ......................... ............ .......................... .......................... .......................... ............. 9 FOTORRESISTENCIAS .................................................................................................................... 10 FOTOTRANSISTOR ......................................................................................................................... 11 FOTODIODO..................................................................................................................................... 12 TRANSDUCTORES TRANSDUCTORES PARA PARA CAMPOS CAMPOS MAGNÉTICOS MAGNÉTICOS .................................. ..................... ........................... ........................... .......................... ................. 14 DISTINTOS DISTINTOS TIPOS DE TRANSDUCTOR TRANSDUCTORES ES MAGNÉTICOS ......................... ............ .......................... ........................... .................... ...... 15 CONCLUSION .......................................................................................................................................... 16 BIBLIOGRAFIA ....................................................................................................................................... 16
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INTRODUCCION Un transductor consiste en un dispositivo que absorbe energía de un sistema y que la cede 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.). etc.).
De esta forma forma es posible distinguir distinguir diferentes tipos de
transductores: y
Transductor de Fuerza.
y
Transductor de Presión.
y
Transductor de Aceleración y Velocidad.
y
Transductor de Nivel.
y
Transductor de Caudal.
y
Transductor de Temperatura.
y
Transductor de Luz.
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¿QUÉ ES UN TRANSDUCTOR?
Un transductor es un dispositivo que transforma un tipo de variable física (por ejemplo, fuerza, presión, temperatura, velocidad, etc.) en otro. Un sensor es un transductor que se utiliza para medir una variable física de interés. Algunos de los sensores y transductores utilizados con más frecuencia son los calibradores de tensión (utilizados para medir la fuerza y la presión), los termopares (temperaturas), los velocímetros (velocidad). Cualquier sensor o transductor necesita esta calibrado para ser útil como dispositivos de medida.
La calibración es el procedimiento procedimiento mediante mediante el el cual cual se
establece la relación entre la variable medida y la señal de salida convertida. Los transductores y los sensores pueden clasificarse en dos tipos básicos, dependiendo de la forma forma de la señal convertida. Los dos tipos son: y
Transductores analógicos:
Los transductores analógicos proporcionan una señal analógica continua, por ejemplo voltaje o corriente eléctrica.
Esta señal puede ser tomada
como el valor de la variable física que se mide. y
Transductores digitales:
Los transductores digitales producen una señal de salida digital, en la forma de un conjunto de bits de estado en paralelo o formando una serie de pulsaciones que pueden ser contadas.
En una u otra forma, las señales digitales
representan el valor de la variable variable medida. medida. Los transductores digitales suelen ofrecer la ventaja de ser más compatibles con las computadoras digitales que los sensores analógicos en la automatización y en el control de procesos.
3
ALGUNOS CONCEPTOS RELACIONADOS CON LOS TRANSDUCTORES y
ampo C ampo
de medición : Corresponde al margen entre los valores mínimo y
máximo de la magnitud física medida por el transductor. y
E l
valor v alor de F.S.O. (³Full 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 límites del campo campo de medición. y
onstante C onstante
de proporcionalidad : es la relación que existe entre el valor de
salida y el correspondiente valor de la magnitud de entrada. y
rror E rror
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. y
recisión: P recisión:
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. y
elocidad V elocidad
de respuesta: corresponde a la rapidez con la que la magnitud
de salida responde a las variaciones de la magnitud magnitud de entrada. y
stabilidad: E stabilidad:
es la constancia de la relación entrada-salida para todas las
condiciones de funcionamiento. y
epetitividad: es el margen de tolerancia que abarca los valores de la
misma medición. Normalmente se expresa en fracciones de la precisión.
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CARACTERÍSTICAS DE LOS TRANSDUCTORES Algunas características que tienen los transductores son: y
actitud: Ex actitud:
La exactitud de la medición debe ser tan alta como fuese
posible. Se entiende por exactitud exactitud que le valor valor verdadero de la variable se pueda detectar sin errores sistemáticos positivos o negativos en la medición.
Sobre varias mediciones de la variable, el promedio de error
entre el valor real y el valor detectado tendera a ser cero. y
recisión: P recisión:
posible.
La precisión de la medición debe ser tan alta como fuese La precisión significa que existe o no una pequeña variación
aleatoria en la medición medición de la variable. La dispersión en los valores valores de una serie de mediciones será mínima. y
ango R ango
de funcionamiento: El sensor debe tener un amplio rango de
funcionamiento y debe ser exacto y preciso en todo el rango. y
elocidad V elocidad
de respuesta: El transductor debe ser capaz de responder a los
cambios de la variable detectada en un tiempo tiempo mínimo. mínimo. Lo ideal sería una respuesta instantánea. y
alibración: C alibración:
El sensor debe ser fácil de calibrar.
El tiempo y los
procedimientos necesarios para llevar a cabo el proceso de calibración deben ser mínimos.
Además, el sensor no debe necesitar una re
calibración frecuente. frecuente. El término desviación se aplica con con frecuencia para indicar la pérdida gradual de exactitud del sensor que se produce con el tiempo y el uso, lo cual hace necesaria su re calibración. y
Fiabilidad: El sensor debe tener una alta fiabilidad. No debe estar sujeto a
fallos frecuentes durante el funcionamiento.
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TRANSDUCTORES DE TEMPERATURA TERMORESISTENCIAS Son conductores cuya resistencia varía con la temperatura. La función de transferencia de las termo resistencias es en general: R = RO{1 + a1 (T - To)+ a2 (T - To )2 + ... + an (T - To )n } donde Ro es la resistencia a una temperatura To (medida en grados Kelvin) de referencia. Un elemento conductor que se emplea es el Platino, para el cual se tienen los siguientes valores numéricos de los coeficientes: a1 = 3.85x10-3 K-1, a2 = -5.83x10-7 K-2 . Si se consigue que a la temperatura de 273 K el valor de la resistencia sea de 100 ohmios y se desprecian los términos superiores al lineal se tiene finalmente la siguiente expresión para una Pt-100 R = 100 + 0.385 t (t en ºC) En esta expresión se supone que el calentamiento de la resistencia es debida exclusivamente al contacto con el medio del que se quiere medir la temperatura. Al igual que en el caso del potenciómetro, interesa que la variación de resistencia se convierta en variación de tensión, para lo cual se le alimenta con una intensidad de corriente. Entonces la resistencia se calentará también por efecto Joule con lo que su temperatura será ligeramente diferente de la del medio exterior. Para que esta diferencia entre la temperatura de la resistencia y la exterior sea mínima y no afecte casi, hay que alimentar con una corriente pequeña. Para el caso del Pt-100 la corriente máxima es de 2.4 miliamperios si la resistencia está en contacto con el aire y de 10 mA si se sumerge en agua. 6
La termo resistencia de platino fue empleada por primera vez en 1871 por W. Siemens y ofrece una medida de la temperatura estable y exacta tal que se emplea como patrón de temperaturas desde -180º C hasta 600ºC. Otra aplicación del platino es la medida de velocidades de gases. Un hilo de platino se alimenta con una corriente constante para que se caliente. Entonces el paso de fluido cerca del platino produce su enfriamiento que es función de la velocidad del fluido, cambiando la resistencia y por tanto la diferencia de potencial en la resistencia de platino. Otros
conductores
metálicos
que
también
se
utilizan
para
construir
termoresistencias son el Cobre, el Niquel y el Molibdeno, cuyos respectivos coeficientes lineales (o de primer orden) de temperatura son 0.0043, 0.00681 y 0.003786 K-1.
TERMISTORES Son semiconductores cuya resistencia es variable con la temperatura. y
Para un semiconductor intrínseco o poco dopado, la resistencia disminuye cuando aumenta la temperatura. Por ello se denomina termistor NTC (Negative Temperature Coeficient).
y
Para un semiconductor muy dopado, la variación de la resistencia con la temperatura es contraria al caso anterior, esto es, aumenta la resistencia si aumenta la temperatura (al igual como los conductores).Por ello se denominan PTC (Positive Temperature Coefficient).
y
Para un rango pequeño de temperaturas (una variación máxima de 50º C), las resistencias NTC tienen una dependencia con la temperatura de la forma R = A exp(B/T)
o también
R = Ro exp[B(1/T - 1/To )] (4.5)
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donde Ro es la resistencia a To (temperatura Kelvin), que se toma por convenio 298 K (25º C). El valor de la constante B se suele determinar midiendo la resistencia de la NTC a dos temperaturas diferentes.
Como el valor de B es también dependiente de la temperatura, a veces se emplea una relación empírica para la resistencia de la NTC de la forma: R = exp [A + B 1/T + C 1/T2 + D 1/T3] (4.7) o de la forma
1/T = a + bLn R + c(Ln R)2 + d(Ln R)3
Para que la función R(T) de las resistencias NTC sea más lineal, se conectan otras resistencias fijas a la NTC en serie y en paralelo, como indica la siguiente figura:
Un termo resistor es el siguiente:
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TRANSDUCTORES DE ILUMINACIÓN O FOTOSENCIBLES FOT OSENCIBLES 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 ³Efecto 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. La 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]. Con relación a los efectos fotoeléctricos sobre los semiconductores, se pueden dividir en dos grupos: y
fecto E fecto
fotoconductor : La conductividad de una barra de semiconductor
depende de la intensidad de la radiación luminosa que le llega. y
fecto E fecto
fotoeléctrico sobre la unión ( E fecto fecto 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 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.
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FOTORRESISTENCIAS La 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.
R [OHM]
E [LUX]
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 ;.
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FOTOTRANSISTOR El 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. Ic [mA] +Vcc
RB
R
=
RB <
TR
RB
E [LUX]
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FOTODIODO El 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.
IR [ UA]
D
log E [LUX]
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. 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.
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La siguiente tabla resume los valores de la iluminación de acuerdo a la distancia entre la lámpara y los sensores.
DISTANCIA
ILUMINACIÓN
FILAMENTO SENSORES
ESCALA 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
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TRANSDUCTORES PARA CAMPOS MAGNÉTICOS Transductor magnético, del tipo de los que comprenden un detector formado por dos plaquitas metálicas conductoras fácilmente influenciables por los campos magnéticos de las cuales se prolongan sendos conductores para su conexión al circuito, cuyas plaquitas se disponen en el interior de un espacio protegido junto al cual se coloca un imán con la orientación precisa para obligar a las plaquitas a tocarse, caracterizado esencialmente por el hecho de estar constituido por un cuerpo mono pieza dotado de dos alojamientos alargados y paralelos entre los cuales se abre un espacio libre, en uno de cuyos alojamientos se coloca un detector del tipo citado, y en el otro un segundo imán con la potencia suficiente para vencer la acción del primer imán y obligar a las plaquitas a separarse, porque al pasar un cuerpo ferro magnético por el espacio libre absorbe la mayor parte del campo magnético del segundo imán con lo que las plaquitas se tocan, cerrando el contacto entre los conductores. Se clasifican en dos grupos según el principio de funcionamiento. y
Transductores de inductancia variable: en los que el desplazamiento de
un núcleo móvil dentro de una bobina aumenta la inductancia de ésta en forma casi proporcional a la porción metálica del núcleo contenida dentro de la bobina. El devanado de la bobina se alimenta con una corriente alterna y la F.E.M., de autoinducción generada se opone a la F.E.M.,de alimentación, de tal modo, que al ir penetrando el núcleo móvil dentro de la bobina, la corriente presente en el circuito se va reduciendo por aumentar la F.E.M., de autoinducción. y
Los
transductores de reluctancia variable : consiste en un imán
permanente o un electroimán que crea un campo magnético que crea un campo magnético dentro del cual se mueve una armadura de material magnético. El circuito magnético se alimenta con una fuerza magneto motriz constante con lo cual al cambiar la posición de la armadura varía la reluctancia y por lo tanto el flujo magnético. 14
DISTINTOS TIPOS DE TRANSDUCTORES T RANSDUCTORES MAGNÉTICOS y
ermeámetros; P ermeámetros;
magnetómetros; semiconductores de Efecto Hall. De
efecto Hall: Mide el campo magnético usando el Efecto Hall que produce una diferencia de potencial ortogonal a la corriente circulante en un conductor atravesado por un campo magnético. y
agneto M agneto
resistivo: Mide el campo magnético teniendo en cuenta la
variación de la conductividad de un conductor en función de la densidad del campo magnético que lo atraviesa. y
Transistor sensible al campo magnético: Mide la alteración del flujo de
corriente en una juntura PN, que causa un campo magnético al incidir en ella.
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CONCLUSION En la actualidad es muy útil para los ingenieros en electrónica tener los conocimientos de los transductores ya que estos transforman diferentes tipos de energía en otra. Dependiendo del uso que se le dé al transductor podemos crear diferentes circuitos con estos elementos electrónicos. Es muy importante conocer los diferentes tipos de transductores para saber que energía utilizar y a cual transformar.
BIBLIOGRAFIA Páginas de Internet: www2.elo.utfsm.cl/~elo109/anexo.doc
http://es.scribd.com/doc/50162589/Transductores#archive http://www.slideshare.net/oveland/transductores-10450991 http://es.scribd.com/doc/53067628/Transductores http://www.ingelec.uns.edu.ar/lmeii2774/docs/LME2-NC01-SAD-Ap1-transd.PDF
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