Presentación de PowerPoint

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El termopar es un sensor de temperatura ampliamente utilizado en
entornos industriales, domésticos, científicos etc.
Básicamente consiste en dos metales o aleación de metales,
diferentes unidos por uno de sus extremos (unión caliente). En la
figura puede verse la unión formada por dos hilos metálicos y
protegidos por una vaina cerámica.
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En el extremo contrario a la unión caliente (unión fría o de referencia)
aparece una diferencia de potencial (Voltios), proporcional a la
diferencia de temperatura entre ambos extremos. Observar que hay un
extremo positivo y otro negativo.
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Este fenómeno se denomina efecto Seebeck por su descubridor, al
factor  se le denomina “coeficiente Seebeck”.
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Existen diferentes tipos de termopares en función de los metales o
aleación de metales utilizados en su construcción. Cada tipo de
termopar se caracteriza por tener un rango de temperaturas de
aplicación diferente y/o un coeficiente Seebeck α diferente. Este
normalmente se da en microvoltios por grado Centígrado.
En la tabla se muestra la composición de algunos termopares, así
como rango de medida y sensibilidad (coeficiente de Seebeck) a 25ºC.
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La medida con termopares se realiza conectando este a un voltímetro.
Pero esto crea uniones (J2 y J3) entre metales diferentes que generan
a su vez termopares, de modo que la tensión medida por el voltímetro
es la suma de las tres tensiones.
En la figura se ha esquematizado una situación real, ya que los cables
del termopar terminan en uniones J2 y J3 con el cobre del circuito
electrónico de mediada.
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Aplicando la ley de los metales intermedios, que se esquematiza en la
figura, la situación se simplifica. Según la figura si los termopares
están a la misma temperatura, el sistema dará la misma tensión de
termopar que la de una unión hierro constantan.
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Aplicando está ley el sistema de la figura anterior equivale al de la
figura. En este caso el voltímetro da una tensión proporcional a la
diferencia de temperaturas entre J1 y J2.
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Como queremos que el voltímetro nos de solo el valor de V1, tenemos
que contrarrestar V2. Esto se hace habitualmente como se
esquematiza en la figura. Intercalando en el circuito del termopar un
acondicionador de señal.
La fuente de corriente I está a la misma temperatura que J2, T2, la
temperatura de referencia. Esta corriente es proporcional a la
temperatura de referencia, seleccionando adecuadamente las
resistencias y teniendo en cuenta el coeficiente de Seebeck del
termopar utilizado, se puede compensar la tensión de la unión J2 en
el rango de medida de interés.
Los circuitos empleados en realidad son algo más complejos, pero la
técnica fundamental es la expuesta. A esta técnica se la denomina
“compensación de punto frío”. En el mercado hay circuitos integrados
que realizan esta compensación y funcionan con diferentes
termopares, tan solo hay que añadir algunas resistencias y según su
valor el sistema compensará un tipo u otro de termopar.
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Con un amplificador lineal podríamos escalar adecuadamente V1 para
que el voltímetro nos de directamente el valor de temperatura. Aunque
hay otras soluciones, esta se adopta habitualmente. Sobre todo
cuando se va a medir un rango de temperatura no muy amplio.
Por ejemplo utilizando un termopar tipo J en un aplicación de 0 a 500
ºC.
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Pero si se quiere utilizar todo el rango de temperatura del termopar (210 a 1200 ºC) hay que saber que el coeficiente Seebeck no es
constante en todo el rango de temperatura, por lo que la relación
tensión temperatura de un termopar no es lineal. Por eso en la tabla
de temperaturas se daba el coeficiente para una temperatura de 25ºC.
Con el esquema de la figura anterior se cometería un error mayor
cuanto mayor sea el rango de temperatura a medir.
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Una solución es utilizar un sistema con microprocesador, con un
convertidor analógico a digital, para leer la tensión digitalmente y
utilizar una tabla almacenada en memoria que nos de la relación
temperatura-tensión exacta.
Un ejemplo es la tabla que corresponde a un termopar tipo E. El
inconveniente de este es método consume mucha memoria. Pero por
el contrario es rápido y muy exacto.
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Otra solución, utilizando la potencia de cálculo de un sistema
microprocesador, es aplicar el valor de tensión medida a un polinomio.
Los coeficientes del polinomio; c0, c1,..,cn los da el fabricante del
termopar en tablas. Cuantos más coeficientes utilicemos más exacta
es la medida y más lento el cálculo, ya que el grado del polinomio es
mayor. Esta técnica es más lenta que la anterior. Darse cuenta de que
c1 es alfa.
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Cuando el punto de medida está lejos del equipo de medida, no se
utiliza un termopar muy largo, resulta muy costoso, sino que se utiliza
un cable especial llamado “cable compensado”. Tiene la peculiaridad
de que su unión con el termopar no genera voltaje termoeléctrico
apreciable. Este cable no tiene la misma aleación que el propio
termopar, ya que resultaría muy caro. También tiene polaridad, por lo
que hay que tenerlo en cuenta para conectarlo. Tampoco es un
sustituto del propio cable del termopar, ya que no presenta la misma
estabilidad frente a altas temperaturas ni a cambios de esta.
Cada tipo de termopar tiene su propio cable compensado y se
distinguen por sus colores, en la figura podemos un ejemplo.
“termocouple grade” es cable para hacer termopares y “extensión
grade” es cable compensado para prolongar.
En la figura se ve un detalle de un estándar (ANSI), pero hay otros. El
ANSI internacional IEC584.3, el BS1843 Británico, el DIN 43710
Alemán, hay otro japonés, etc.
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La conexión a los equipos y a los cables compensados, se realiza
mediante conectores tanto mancho y hembra exclusivos para
termopar. Como el cable compensado tiene polaridad y cada tipo de
termopar se distingue por un código de colores.
Los cables, tanto de termopar como compensado se unen a los
conectores atornillados a presión, nunca soldados con estaño, para
evitar termopares parásitos. En la figura se ven algunos ejemplos de
conectores.
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Los termopares para altas temperaturas se protegen con vainas de
metal y cerámicas. En la figura se ven un ejemplo de cabezas de
protección.
En general el termopar tiene como mérito su amplio rango de medida.
La exactitud depende bastante del acondicionador de señal del
termopar, ya que como hemos visto dependemos de otro sensor de
temperatura, la de referencia, instalado en el circuito medidor. Por otra
parte la velocidad de respuesta es rápida, ya que el termopar es
metálico (conduce bien el calor), tiene relativamente poca masa (por
tanto poca inercia térmica), por lo que tarda poco en calentarse o
enfriarse.
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En general los metales son buenos conductores de la electricidad;
tienen poca resistencia eléctrica. Un hilo de metal tiene una resistencia
eléctrica directamente proporcional a su resistividad ρ y al área de su
sección transversal e inversamente proporcional a su longitud.
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Una característica de los metales es que su resistencia depende de la
temperatura, de modo que a mayor temperatura mayor resistencia.
Esta característica se expresa con un parámetro llamado coeficiente
de temperatura α; que determina la variación de resistencia del
conductor por cada grado de temperatura y por cada ohmio de
resistencia.
Esta propiedad es ampliamente utilizada para medir la temperatura.
Existe una familia de sensores que la utilizan, se denominan RTD
“resistencia detector de temperatura”.
Para su construcción se utilizan distintos metales como el níquel,
platino, cobre, hierro. El material que da más exactitud, precisión y
menos deriva es el platino.
El coeficiente de temperatura del platino es de 0.003850 Ω/(Ω·ºC).
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Una PT100 es un sensor de temperatura consistente en un hilo de
platino de modo que a 0ºC tiene una resistencia de 100 Ω. Una Pt1000
es igual pero su resistencia a 0ºC es 1000 Ω. Al aumentar la
temperatura aumentan su resistencia eléctrica.
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El hilo de platino generalmente va protegido por una vaina de acero
inoxidable, aunque se puede presentar en otros formatos.
Es un sensor muy lineal (ver tabla). Su rango de medida es del orden
de -200ºC a 600ºC. Su exactitud es bastante buena; la tolerancia de
su valor nominal R0 puede ser de 0,06Ω. La velocidad de respuesta
depende del formato en que se presente y el fabricante dará su valor
en las hojas de características.
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La forma más simple de medir con una Pt100, es hacer pasar una
corriente constante a través de la ella y medir la tensión en sus
extremos. como la corriente es fija y la resistencia dependiente de la
temperatura, la tensión medida será proporcional a la temperatura.
Si La fuente de corriente es de 1.0mA, a 0ºC en el voltímetro veremos
1mA·100Ω = 100 milivoltios y a 100 ºC veremos 138,5 milivoltios
(Tiene aproximadamente 10 veces más sensibilidad que los
termopares). Si queremos ver 0 voltios a 0ºC y 100mV a 100 ºC, es
decir leer directamente la temperatura en el voltímetro hay que
complicar algo más el acondicionador de señal.
Al hacer circular corriente por la Pt100 esta se calienta, lo que
introduce un error en la medida, llamado “error por autocalentamiento”.
Hay que consultar los datos del fabricante para mantener este error lo
más bajo posible según la exactitud que queremos conseguir. Los
fabricantes dan tablas para calcular el error cometido según la
corriente que circula por la resistencia.
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Otro problema que surge habitualmente, es que la Pt100 y el equipo
electrónico donde está el acondicionador de señal, están a una cierta
distancia, por lo que la pequeña resistencia de los cables que unen el
sensor al equipo, provoca una caída de tensión al ser atravesados por
la corriente, que supone un error en la medida.
Si el sensor tuviera miles de ohmios la resistencia de los cables sería
despreciable, pero como solo tiene 100Ω la resistencia de los cables
no es despreciable. Una solución es hacer una medida a 4 hilos.
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En la figura se ve el esquema de medida a 4 hilos. El medidor no ve la
caída de tensión en los cables por los que circula la corriente
V(Rcable), por lo que este no introduce error en la medida.
Los cables de medida también tienen resistencia, pero no influyen en
la medida, porque por ellos no circula corriente por tanto no cae
tensión alguna en ellos. También existen versiones a 3 hilos (más
barata).
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Otra forma de medir con una Pt100 es utilizar un puente de medida o
puente de Wheatstone. Una ventaja que ofrece este método es que a
0ºC el puente está equilibrado y la medida es 0 voltios y a 100ºC será
100mV si seleccionamos bien la ganancia del amplificador.
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Estos componentes se denominan en general terminstores. El
terminstor también varía su resistencia con la temperatura como las
RTD, pero con la diferencia de que esta variación no es lineal, sino
exponencial.
Cuando varia inversamente a la temperatura es una NTC (coeficiente
de temperatura negativo) y cuando la variación es directa con la
temperatura se denomina PTC (Coeficiente de temperatura positivo).
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Están fabricados con óxidos de semiconductores (cerámicas). En la
figura se ven algunos formatos de terminstor, también los hay con
vaina de protección, según la aplicación.
Componente muy utilizado como sensor en sistemas de medida de
temperatura. Se pueden encontrar en una amplia gama de valores de
resistencia nominal; entre unos pocos ohmios y varios cientos de
miles. Su sensibilidad es del orden del 4% de su valor nominal; mucho
mayor que el de las Pt100. Pero tiene el inconveniente de que su
respuesta no es lineal, sino exponencial.
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Su sensibilidad es mucho mayor que la de termopares y RTDs
(Pt100). Y su rango de medida va de –55ºC a 300ºC.
RT : Resistencia a la temperatura a medir
T25: Temperatura de referencia 298,15K o 25ºC
R25: Resistencia nominal a la 25ºC
B: Constante del NTC en grados Kelvin
Tanto RT como B están afectados por una tolerancia de alrededor del
1%, que hay que tener en cuenta a la hora de calcular la exactitud de
la medida. Estos datos los da el fabricante, junto a otros útiles, como la
constante de tiempo térmica τ, la potencia máxima que puede disipar,
rango de temperatura de trabajo. También da ecuaciones y tablas para
calcular el valor de la resistencia a distintas temperaturas.
Presenta el mismo problema de autocalentamiento que la Pt100, por lo
que el fabricante da el factor de disipación dth[W/K] para calcular el
incremento de temperatura del componente en función de la potencia
que está disipando (ΔT=I.V/dth) así como gráficas de tensióncorriente, para que podamos controlar el error cometido por
autocalentamiento. Ade
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Un sistema muy utilizado es el que se esquematiza en la figura, donde
se mejora la linealidad de a costa de perder sensibilidad, además se
limita la corriente por la NTC.
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Este tipo de sensor se diferencia de la NTC en que lógicamente su
coeficiente de temperatura α es positivo, es decir que cuando se
calienta su resistencia aumenta. Pero además tiene un coeficiente de
temperatura mucho mayor, es decir que su cambio de resistencia con
el aumento de temperatura el muy brusco. Esto se puede ver en la
figura.
Además vemos que hay una zona donde el coeficiente de
temperatura es negativo y en otra nulo. Cuando la temperatura
alcanza un valor TTR (temperatura de transición), la resistencia
aumenta bruscamente. Existen dos tipos, unos que aumentan su
resistencia bruscamente y otros que lo hacen de forma más gradual.
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El primer tipo es mas utilizado en circuitos de protección contra
sobrecorrientes, ya que cuando son atravesados por una gran
corriente se calientan, aumentan su temperatura y la corriente
disminuye.
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Un diodo polarizado en directa (figura) tiene una caída de tensión
“casi” constante de 0,6 voltios. Pero está tensión no es del todo
constante. Tiene una cierta dependencia de la temperatura, tiene un
coeficiente de temperatura de -2,2mV por grado centígrado.
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Esta sensibilidad del diodo a los cambios de temperatura, se ha
utilizado ampliamente como base para muchos sistemas de medida de
temperatura.
Muchos circuitos integrados se han diseñado en torno a esta
característica para construir componentes semiconductores sensores
de temperatura de gran precisión. De hecho la compensación de punto
frío de los termopares en los equipos de calidad se realiza con estos
componentes.
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Básicamente hay dos tipos; Generadores de tensión dependiente de
la temperatura y generadores de corriente dependiente de la
temperatura. En su versión más simple son dispositivos de 2 o 3 patas
como en la figura.
Su rango de medida típico es de -55ºC a +150ºC y su sensibilidad
suele ser de entorno a 1mV / ºC en los de salida de tensión y 1 uA / ºC
en los de corriente.
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Un ejemplo de sensor de temperatura, con salida en tensión, es el
clásico LM35 Nacional Semiconductors. Con una precisión de ¾ ºC
sobre un rango de medida de -55ºC a +150C. El fabricante da todos
los datos en sus hojas de características.
En la figura vemos un ejemplo de aplicación sencillo.
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En la figura vemos un ejemplo de aplicación del AD590 de Analog
Devices. Entrega una corriente de 1uA / ºK. A 0ºC (273,15ºC) dará
273,15uA. El fabricante dice que tiene una exactitud de ±0,5ºC y una
linealidad de ±0,3ºC.
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Como vimos en el caso de las Pt100, la resistencia eléctrica de un
conductor como el de la figura depende de su coeficiente de
resistividad ρ, y es directamente proporcional a la longitud e
inversamente proporcional al área de su sección transversal.
Si a este conductor le sometemos a una fuerza de estiramiento, de
modo que se alarga; su longitud aumenta y por tanto su resistencia
eléctrica aumenta. A la inversa también es cierto, si la fuerza es de
compresión, la resistencia disminuye.
Entonces podemos utilizar este conductor para medir la deformación
de un objeto, pegándolo a el y midiendo resistencia del conducto y sus
variaciones.
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la deformación que sufre el conductor se mide en términos de cambio
de longitud dividido entre su longitud inicial, Se denomina deformación
ε.
Es un factor adimensional y se suele dar en mm/mm. En la práctica se
utiliza la microdeformación με, que es la deformación escalado por un
millón. De esta manera en vez de decir 0,0002 deformaciones,
decimos 200 microdeformaciones, que es una cifra más manejable.
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Existen dos tipos de galgas, las semiconductoras y las metálicas. En la
figura vemos una metálica, consiste en un hilo metálico dispuesto en
una trama. Los extremos presentan más área para los contactos
eléctricos.
El hilo está pegado a un soporte, que a su vez se pega a la pieza cuya
deformación queremos medir. Un alargamiento o acortamiento de
dicha pieza, se transmite a la galga multiplicado por el número de
secciones de la trama.
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Un dato fundamental en una galga es su sensibilidad o “factor de
galga” K, y relaciona el cambio de resistencia relativo del conductor
utilizado para construir la galga, con su cambio relativo de longitud. Un
valor típico de factor de galga par las galgas metálicas es 2.
Supongamos que una galga de 1000Ω factor K = 2, experimenta una
micro deformación de 200 με; esto supone un cambio de resistencia:
de 1000.·2·0,0002=0,4 ohmios. Este ejemplo nos puede ilustrar sobre
los pequeños cambios de resistencia que hay que medir; 0,4Ω sobre
1000Ω de valor nominal.
Un problema importante que presentan las galgas es que su valor no
solo cambian con la deformación, también cambia con la temperatura.
En la tabla lo podemos ver. Los fabricantes hacen un gran esfuerzo
por minimizar esta dependencia de la resistencia de la galga con la
temperatura, probando con distintas aleaciones, pero no la pueden
eliminar completamente. Por una parte las galgas presentan
problemas de autocalentamiento, debido a la corriente que la atraviesa
para hacer la medida, por otro están expuestas a los cambios de
temperatura de la pieza cuya deformación se quiere medir. Pero
además la propia pieza puede sufrir dilataciones por temperatura,
dilatación que quizá no queramos, medir pero a la que la galga puede
ser sensible.
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Para realizar una correcta medida es importante seguir las
recomendaciones del fabricante a la hora de pegar la galga a la pieza
a medir. Básicamente se requiera una alisado de la superficie, limpieza
de la zona donde se va a pegar la galga con productos de pH
controlado, alineado de la galga y pegado. Posteriormente se sueldan
los hilos para conectar la galga y se protege esta de la intemperie con
una resina.
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Un circuito acondicionador de señal muy empleado con galgas es el
puente de Wheatstone o puente de medida. La configuración más
simple la vemos en la figura. Sin deformación el puente está
equilibrado, ΔR es 0 y la salida Vo es 0 voltios, pero con deformación
ΔR tiene un valor no nulo, proporcional a la deformación y por tanto la
tensión de salida Vo también tendrá un valor proporcional a la
deformación.
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Pero si el la resistencia de la galga cambia debido a cambios de
temperatura, lo interpretaremos como una deformación, introduciendo
un error en la medida. Una forma habitual de compensar los cambios
de resistencia por temperatura, es colocar otra galga idéntica, en la
rama adyacente, de modo no esté sujeta a deformaciones, pero si a la
misma temperatura que la primera galga. De esta forma si cambia la
temperatura, cambia para las dos galgas y ambas modifican su valor
en el mismo sentido, permaneciendo el puente equilibrado y con salida
Vo igual a 0. Pero si se produce una deformación, la primera galga
cambiará su valor, pero la segunda no, desequilibrando el puente y
dando una salida Vo distinta de 0 voltios y proporcional a la
deformación.
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En determinadas situaciones es posible colocar 2 galgas sensores en
contraposición, tensión compresión; de modo que ante una
deformación una aumente su resistencia y otra la disminuya. De este
modo se puede aumentar la sensibilidad del puente de medida.
Como en el caso de las Pt100, la resistencias de los hilos también
introduce un error en la medida que se puede compensar mediante
medida a 3 y 4 hilos.
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Distintos formatos de galga. Para compensación de temperatura o
sensado de deformación en dos direcciones. En ángulo y para
diafragma.
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Un sistema de peso muy utilizado es la célula de carga, sensor de
presión construido con un puente de 4 galgas en tensión compresión
montadas sobre una estructura metálica en forma de S, de modo que
permita una cierta deformación elástica. Hay una infinidad de
formatos, tamaños, sensibilidades y características mecánicas.
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LVDT es el acrónimo de transformador diferencial variable lineal. Es un
sensor electromecánico que puede medir la posición y el movimiento
rectilíneo de un objeto al que esté acoplado mecánicamente.
Consiste en un cilindro hueco, por cuyo interior puede moverse
libremente un eje que se acopla mecánicamente al sistema cuya
posición se quiere medir. En el cilindro se arrollan tres bobinas.
Pueden resolver milésimas de milímetro y los hay con recorridos de
décimas de milímetro hasta medio metro.
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Las características más sobresalientes de estos dispositivos son: Gran
sensibilidad. Vida mecánica ilimitada, debido al poco rozamiento.
Resolución teórica infinita, solo limitada por el ruido eléctrico del
circuito acondicionador. Gran velocidad respuesta. Precisión, las
medidas tomadas sobre la misma posición son muy repetitivas.
Robustez e inmunidad a la suciedad, pueden trabajar en entornos
agresivos o sumergidos en líquidos y a grandes presiones o en vacío.
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Básicamente consiste en un transformador con un primario y dos
secundarios arrollados en una estructura cilíndrica hueca, por la que
se puede desplazar libremente un núcleo muy ferromagnético. El
primario se excita con una tensión senoidal. Cuando este está en la
posición central “punto de nulo” el índice de acoplamiento entre el
primario y los dos secundarios es idéntico, las dos salidas del
secundario son iguales, pero desfasadas 180 grados, con lo que la
diferencia neta es idealmente cero “voltaje de nulo”. Pero cuando se
desplaza el núcleo, movido por la pieza a la que esta mecánicamente
acoplado, el índice de acoplamiento magnético entre el primario y un
secundario, es menor que respecto al otro. Como consecuencia la
salida de un secundario es menos que la del otro; la diferencia neta
entre secundarios es distinta de cero, dicha diferencia es proporcional
al desplazamiento.
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Cuando se desplaza el núcleo, movido por la pieza a la que esta
mecánicamente acoplado, el índice de acoplamiento magnético entre
el primario y un secundario, es menor que respecto al otro. Como
consecuencia la salida de un secundario es menos que la del otro; la
diferencia neta entre secundarios es distinta de cero, dicha diferencia
es proporcional al desplazamiento.
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La excitación máxima es 3V rms. Se puede excitar con un amplio
rango de frecuencias, de 2KHz a 20 KHz. El voltaje de nulo nunca es
cero sino un porcentaje (0,5%) de la tensión de fondo de escala.
Vemos también el margen de temperatura de funcionamiento dentro
del cual se cumplen las especificaciones del fabricante.
En la segunda parte vemos las especificaciones a 10KHz
(recomendado por el fabricante) y a 2,5KHz, para comparar. Vemos
que:
El rango nominal o fondo de escala es de 0,13mm. Vemos el error de
linealidad expresado en tanto por ciento de fondo de escala para el
50%, 100%, 125% y 150% de fondo de escala. Esto quiere decir que
podemos trabajar más allá del fondo de escala a costa de una peor
linealidad. La sensibilidad se da en milivoltios de salida por voltio de
excitación de primario por cada milésima de pulgada de
desplazamiento y es sensiblemente mejor a 10KHz que a 3,14KHz. En
general la sensibilidad aumenta con la frecuencia hasta un punto
donde subiendo la frecuencia se pierden prestaciones debido al
material del núcleo y otros efectos de segundo orden.
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El circuito electrónico acondicionador de señal, se encarga de excitar
el primario y medir la diferencia de tensión entre los secundarios,
convirtiendo esta en una tensión continua proporcional al
desplazamiento. En la figura, vemos la gráfica de la relación entre
posición en tanto por ciento y tensión de salida Eout, del
acondicionador. Vemos que la salida no es cero en la posición “null
position”. Y fuera del 100% de rango pierde linealidad.
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La fase de la diferencia de las tensiones del secundario, respecto a la
tensión de excitación del primario desde el punto central hacia un
lado, es “casi”cero y hacia el otro lado “casi” 180º; Por tanto además
del desplazamiento neto podemos saber hacia que lado se ha
realizado este.
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Existe circuitos integrados específicos para implementar un
acondicionador de señal para un LVDT. Un ejemplo es el AD598 de
Analog Devices. En la figura vemos un esquema elemental. Sus
características más importantes son: Excitación de 20Hz a 20KHz.
Linealidad de 0,05% FS. Voltaje de salida ±11 voltios. Salida bipolar o
monopolar.
El circuito integrado excita el primario, sensa la salida de los
secundarios, calcula la fase y da una tensión de salida bipolar
proporcional a la posición. Vemos que calcula la diferencia entre
tensiones del secundario y la divide por su suma, asumiendo que esta
es constante a lo largo de todo el recorrido del núcleo. de esta manera
no necesita una tensión de excitación constante de gran precisión.
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En el mercado se anuncian LVDTs e DC o tensión continua. Esto
quiere decir que en el cuerpo de la LVDT está integrado el
acondicionador de señal. Son de uso más sencillo, ya que se
alimentan por dos cables con tensión continua y se tiene la salida
proporcional a la posición por otro cable.
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Una dinamo es un generador de tensión. Convierte energía mecánica
en energía eléctrica.
Si colocamos una espira de hilo de un material conductor, capaz de
girar libremente, en el campo magnético entre los polos opuestos de
dos imanes, y la hacemos girar, en los extremos abiertos de la espira
podemos medir una tensión proporcional a la intensidad del campo
magnético, el área de la espira y la velocidad angular. En este
principio se basa el funcionamiento de la dinamo tacométrica. Consiste
en dos imanes semicilíndricos opuestos y una bobina capaz de girar
en su interior. Mediante un colector y un sistema de escobillas, se
recoge la tensión de salida.
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Cuando la dinamo se acopla mecánicamente a un eje capaz de girar,
entrega un tensión proporcional a la velocidad angular del eje ω.
Basándose en este principio, este componente se utiliza para medir
velocidad angular. Su principal aplicación es la medida de la velocidad
de giro de motores anemómetros etc.
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Podemos encontrar dos tipos de dinamo tacométrica, una entregan a
su salida una tensión continua pulsante, con frecuencia y magnitud
proporcional a la velocidad y otras que dan una tensión continua,
proporcional a la velocidad. Las segundas no requieren un
acondicionador muy complejo, ya que basta con un filtro para eliminar
el rizado, y un amplificador.
Las primeras requieren un circuito acondicionador de señal más
complejo, por otra parte se puede utilizar la frecuencia como
parámetro de medida con un circuito convertidor de tensión a
frecuencia. Esta opción ofrece buena exactitud en la medida aunque el
tiempo de respuesta es mayor, debido a la electrónica.
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En la tabla vemos las especificaciones técnicas de la dinamo
tacométrica de Maxon, que ofrece muy buenas prestaciones:
Vemos que la linealidad es mejor en vacío (sin carga) que con carga,
por lo que conviene que la resistencia que vea la dinamo entre sus
terminales sea lo mayor posible, El error de inversión es la diferencia
de tensión cuando gira en diferente sentido. El fabricante da incluso el
momento de inercia con que la dinamo va a contribuir al conjunto
motor, carga ( lo que el motor va a mover), dinamo; ya que va a influir
en el tiempo de respuesta del conjunto.
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En el caso de la dinamo cuya salida es una tensión continua el
acondicionador es muy simple. Basta un filtro RC y un amplificador.
Con la dinamo de salida pulsante podemos rectificar (alisar) la salida y
aplicar el mismo circuito.
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También podemos utilizar un acondicionador de señal más complejo,
como un convertidor de frecuencia a tensión. En torno al circuito
integrado LM2907 se puede implementar un convertidor frecuencia
tensión con una linealidad teórica de 0,3%.
Este circuito integrado especifica la linealidad de 0.3% a 5KHz sobre la
recta entre 1KHz y 10Kz de frecuencia de entrada.
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Este dispositivo consta de un disco opaco giratorio, solidario con el eje
cuya velocidad se quiere medir. A lo largo de la circunferencia del
disco se han practicado pequeñas ventanas iguales y equidistantes. A
un lado del disco hay un dispositivo emisor de luz y al otro un
elemento sensible a la luz. De esta forma cuando el disco gira, el
elemento sensible a la luz recibirá o no pulsos de luz, de forma
alternativa, a medida que las ventanas dejen pasar la luz o el haz
quede obstruido. las señales de los fotorreceptores se acondiciona
para dar una salida digital en cuadratura. Cada flanco de la señal
supone un avance del eje. Un circuito digital recibe las señales en
cuadratura y mide la velocidad el sentido de giro, según que señal de
las dos vaya adelantada respecto de la otra.
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El sistema está integrado en un cilindro opaco. En la figura podemos
ver un encoder incremental con su circuito acondicionador.
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En la tabla vemos las características del componente, el conexionado
del encoder y un ejemplo de aplicación. Podemos ver la tensión de
alimentación, el estándar que cumple los niveles de la tensión de
salida, el circuito integrado que lleva instalado, el desfase entre
señales, tiempos de subida y caída de las señales digitales,
temperatura de funcionamiento recomendada, la masa que aporta al
eje y la máxima aceleración que soporta sin riesgos mecánicos.
El dato fundamental que caracteriza al encoder, es el número de
pulsos por revolución; en este caso son 500 ppv. Esto implica que se
puede posicionar el eje con una resolución de 360/500 grados.
Opcionalmente se puede conseguir un encoder de 1000.
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En el ejemplo de conexionado vemos que las señales salen en modo
diferencial; esto es sale la señal por un lado y la misma señal por otro
pero invertida. De este modo el bus de señales es más inmune al ruido
electromagnético. Además vemos que además de las dos señales en
cuadratura A y B el sistema aporta una señal I que da un pulso por
revolución.
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El bloque del circuito integrado 26LS32, es un convertido de señales
diferencial a monopolar. El Circuito integrado HCTL2020 filtra pulsos
espureos y decodifica las señales en cuadratura A y B. Incorpora un
contador incremental, decremental, según la señal de sentido, que se
puede leer desde el microprocesador.
Este sistema tiene la posibilidad no solo de medir la velocidad del eje,
sino que también permite sensar la posición con total precisión, con
una resolución de hasta 360/1000 grados. Lo que le aporta gran
potencial respecto de la dinamo tacométrica.
78
Existen encoders digitales absolutos. En el disco no tiene un solo
circulo de ventanas, sino que tienen varios círculos de ventanas
concéntricos, con ventanas de distinto tamaño como se ve en la figura.
El encoder incremental básicamente mide la velocidad, y procesando
la información que entrega, se puede conocer la posición, pero solo de
forma relativa. Si el sistema se apaga y enciende de nuevo,
tendríamos que haber guardado la última posición en una memoria no
volátil. Aún así no podemos garantizar que el eje no se halla movido
estando el acondicionador apagado. Con un encoder absoluto no
tenemos ese problema. El disco de la figura tiene 8 círculos de
ventanas, por lo que la salida del endoder proporciona un bus de 8 bits
con la posición absoluta, con una resolución de 1,4 grados.
79
Este dispositivo es el equivalente del LVDT pero en lugar de medir
posición lineal, es un sensor de posición angular de 0º a 360º. El
funcionamiento es muy similar al LVDT, de hecho muchos de los
circuitos acondicionadores de señal para LVDT sirven con algunas
modificaciones para resolvers. El resolver es un transformador rotativo
cuya salida está unívocamente relacionada con la posición del eje.
Tiene muchas de las ventajas del LVDT como la robustez ante
entornos agresivos y de altas o bajas presiones, vida útil,
insensibilidad a la suciedad etc. Se pueden encontrar resolvers sin
escobillas lo que aumenta su vida útil y el tiempo medio entre fallos.
En la figura se ve el corte de un resolver con las tres bobinas del
transformador. Por otra parte es un sensor de posición absoluta, como
en el caso del encoder digital absoluto.
80
Un resolver tiene un primario, el bobinado de referencia y dos
secundarios, las bobinas seno y coseno. El bobinado de referencia se
localiza en el rotor y los seno y coseno en el stator. Los bobinados
seno y coseno están desplazados entre si 90 grados. En un resolver
sin escobillas la energía se transmite a través de un transformador
rotativo, esto elimina rozamientos y los problemas asociados.
Las tensiones de las bobinas seno y coseno son iguales que el de
referencia pero multiplicados por el seno o coseno del ángulo que
forma el eje a partir de una posición ángulo cero. La salida del resolver
son dos voltajes cuya relación representa la posición absoluta del eje.
81
En la figura se ve la señal de excitación del primario y las salidas de
los secundarios.
La situación es similar al LVDT. Existen circuitos integrados que
excitan el primario y demodulan la salida de los secundarios dando un
tensión analógica proporcional a la posición o un dato digital.
82
Un circuito integrado que realiza la decodificación es el “Resolver to
digital converter” AD2S90. En la figura se ve un esquema de bloques.
El fabricante anuncia una resolución de 12 bits, lo que implica: 0,0879
grados de resolución.
Y una exactitud de 15/60 de grado (15 arcmin).
Además del chip select CS la salida de datos serie de 12 bits DATA y
el reloj SCLK, entrega las salidas A y B en cuadratura como en el
encoder incremental.
83
Cuando se habla de luz, entendemos radiación electromagnética en el rango
de longitudes de onda visible por el ojo humano (350nm a 750nm). Pero los
sensores que veremos pueden responder a longitudes por encima de la luz
visible (infrarojo) y/o por debajo (ultravioleta).
Para medir la radiación electromagnética en general, el flujo radiante, se
utiliza la unidad de potencia, el vatio (W). Pero hablando exclusivamente de
luz visible, para medir la “sensación” luminosa visual o en términos físicos el
flujo luminoso, la unidad del Sistema Internacional que se utiliza es el lumen.
El lumen es potencia y equivale a 1/683 W en la longitud de onda de 555 nm.
En otra longitud de onda esta equivalencia es distinta, ya que como dijimos
el lumen es subjetivo, tiene en cuenta la sensación luminosa del ojo humano,
y este es más sensible a unas longitudes de onda que a otras. Para medir la
iluminación o flujo luminoso por unidad de superficie, se utiliza el lux (lx)
[lumen / metro cuadrado]. Por ejemplo una zona de trabajo bien iluminada
tendrá 400 lx. Cuando se quiere medir el nivel de iluminación de una fuente
de luz puntual, caso de una bombilla o LED, se hace sobre una superficie
esférica, (cuya unidad es el estereorradián; que es la superficies esférica con
área igual al radio de la esfera al cuadrado), la unidad utilizada es la candela
(cd) [lumen / estereoradián].El mismo flujo radiante dentro de la luz visible
produce distinto flujo luminoso dependiendo de la longitud de onda, debido a
que la respuesta del ojo humano no es plana en el margen de longitudes de
onda a la que es sensible.
84
Estos componentes son sensores de radiación electromagnética de
silicio. Tienen campos de aplicación muy diversos, desde
espectrómetros, pasando por barreras ópticas, sensores de
proximidad, mandos a distancia hasta comunicaciones con fibra óptica
y muchos más.
85
Un fotodiodo funciona como un diodo polarizado en inversa. Sin recibir
ninguna radiación se mide una pequeña corriente inversa “corriente
de oscuridad”. Cuando incide radiación sobre su superficie, dicha
corriente aumenta de forma bastante lineal con la potencia recibida.
El fotodiodo, entrega una corriente inversa proporcional a la potencia
que recibe sobre su área fotosensible. Su sensibilidad (Responsivity)
se da por tanto en amperios por vatios A/W.
86
La sensibilidad depende fuertemente de la longitud de onda. En la
figura vemos la respuesta espectral de un modelo adecuado para 400
a 1100 nm, con la máxima sensibilidad en 900nm. Se pueden
conseguir en el mercado modelos con diferentes picos de respuesta
en diferentes longitudes de onda, para distintas aplicaciones. Cuando
se desea medir en una parte concreta del espectro, se interponen
filtros entre el haz luminoso y la superficie activa del fotodiodo. El filtro
es básicamente un cristal de color, de modo que favorece el paso de
ese color atenuando el resto y haciendo al sistema filtro-fotodiodo,
muy insensible a la luz de color distinta de la del filtro.
Existen fotodiodos con distinta estructura en la unión PN, como
uniones PIN (material tipo P-Intrínseco, sin dopar -tipo N ) que son
muy rápidos. fotodiodo schottky sensibles a la radiación ultravioleta.
APD de avalancha, para niveles bajos de radiación. Y de materiales
distintos del silicio, como nitruro de galio y aleaciones para radiación
ultravioleta.
Una precaución básica con todos los detectores de este tipo es la
limpieza de la ventana. Tocarla con los dedos implica una perdida de
transmitancia, reduciendo la sensibilidad hasta el 30%.
87
En la tabla se ven las característica más relevantes de un fotodiodo, el
ODD 5W de Opto Diode Corp. Las características se dan para una
temperatura de 25ºC ya que, por ejemplo; la corriente de oscuridad
(Dark Current) es muy dependiente de este parámetro.
88
El acondicionador de señal típico de un fotodiodo es un circuito
integrado, amplificador operacional montado para realizar la
conversión de corriente a tensión (IV ó convertidor corriente tensión).
El esquema básico se ve en la figura. La tensión de salida es
proporcional a la corriente del fotodiodo, que como hemos visto es
proporcional a la potencia de radiación recibida.
89
Vemos en la figura que la tensión de polarización mejora el rango
dinámico.
Una característica a tener en cuenta es el tiempo de respuesta, que
suele ser bastante rápido; del orden de nanosegundos, este parámetro
también mejora (a costa de aumentar el ruido y la corriente de
oscuridad) con la tensión de polarización inversa V, que suele estar
entre 0 y 5 voltios.
La relación señal ruido es importante ya que va ha determinar la
resolución, un nivel de ruido alto a la salida del amplificador nos
ocultaría pequeños cambios de intensidad luminosa.
90
Es como el fotodiodo un sensor de radiación electromagnética.
Su principal campo de aplicación lo tienen en el campo de la analítica
biomédica y química.
Las principales características del fototubo son su fiabilidad que
depende fuertemente de la tensión del ánodo, a más tensión menor
vida útil. Su velocidad de respuesta, del orden de los pico segundos,
cubre además un gran rango dinámico, desde pico amperios hasta
microamperios, con excelente linealidad. Como exponen a la radiación
incidente mayor área fotosensible que los fotodiodos, su sensibilidad
resulta también mayor, lo que lo hace ideal para niveles bajos de
radiación. Otro factor de mérito apreciable es la poca influencia de la
temperatura sobre la respuesta del Fototubo.
91
El principio de funcionamiento del fototubo está basado en el efecto
fotoeléctrico; cuando un fotón (radiación electromagnética) , con la
energía suficiente incide sobre una superficie metálica (fotocátodo),
donde los electrones no están sujetos a enlaces fuertes, estos pueden
saltar de la superficie.
Si cerca de la superficie, colocamos un elemento (ánodo) polarizado
con un voltaje positivo, será capaz de captar los electrones liberados
de la superficie. La corriente de electrones en el circuito de
polarización es proporcional a la radiación electromagnética que incide
sobre la superficie del fotocátodo.
Aunque hay una amplia variedad de presentaciones, en general ánodo
y fotocátodo están dentro de una ampolla de material transparente y al
vacío.
92
Con fototubos se puede cubrir un rango de longitud de onda desde
100 a 1100 manómetros seleccionando el modelo adecuadamente. En
la tabla podemos ver distintos modelos su rango espectral de
funcionamiento y su aplicación típica. Cada tramo de longitud de onda
de trabajo depende del material del fotocátodo y de la composición del
cristal transparente de la ampolla.
93
En la figura vemos las curvas de respuesta para distintas
composiciones del fotocátodo. La respuesta espectral no es plana,
sino que presenta un pico a una longitud de onda, como vemos en la
figura.
Las características que da el fabricante en los catálogos son:
La respuesta espectral en nm. La longitud de onda de pico. La tensión
de polarización del ánodo. La corriente máxima. La corriente de
oscuridad y el rango de temperatura de trabajo. El área fotosensible.
Tiempo de respuesta. Por supuesto la sensibilidad a la radiación en
varias longitudes de onda en mA/W.
94
La forma de medir la corriente de salida es muy similar a la del
fotodiodo, el circuito acondicionador de señal tiene que convertir
corriente a tensión y además hay que polarizar el Fototubo. Pero en
este caso con tensiones del orden de cientos de voltios. En la figura
vemos un IV como acondicionador de tensión.
95
Características destacadas de los fotomultiplicadores son su buena
linealidad, su velocidad de respuesta del orden de 30 pico segundos.
También presenta corriente de oscuridad, debido a corriente fugas,
emisiones termoiónicas y otras causas. Con este dispositivo se miden
radiaciones tan bajas que se pueden contar fotones.
96
Es un tubo de vacío, que tiene una ventana de entrada, transparente a los
fotones, un fotocátodo sobre el que inciden los fotones, unos electrodos de
enfoque para dirigir los electrones a unas placas llamadas dínodos,
dispuestas a lo largo del tubo y al final de este un ánodo.
El principio de funcionamiento es el siguiente: Los fotones entran por la
ventana, chocan contra el fotocátodo que a consecuencia del choque emiten
electrones denominados primarios o fotoelectrones. Estos son enfocados
electrostáticamente contra el primer dínodo que al estar polarizado
positivamente, atrae a los electrones que chocan contra el con energía.
Como consecuencia del choque se liberan más electrones secundarios de
los que chocaron. Estos a su vez son atraídos por el siguiente dínodo ya que
está polarizado más positivamente que el anterior. Este a su vez expulsa
más electrones secundarios y así hasta el último dínodo. Al final y polarizado
más positivamente que las placas anteriores está el ánodo que recoge los
electrones y a través de las conexiones salen al exterior del fotomutiplicador,
produciendo una corriente en el circuito de polarización.
En la figura se ve un dibujo explicativo. Las pilas polariza el fotomultiplicador.
La parte más positiva es el ánodo, placa de la derecha, y según se va a la
izquierda los dínodos son cada vez más positivos. El diseño del conjunto
está optimizado para facilitar la trayectoria de los electrones por su interior,
los hay con los dínodos en posición longitudinal o dispuestos en forma
circular.
97
La sensibilidad del fotocátodo depende de la composición utilizada
para su fabricación. Se fabrican de distintas aleaciones de materiales
según la zona del espectro de trabajo, algunos materiales son galio,
indio, cesio, fósforo, plata etc. En la figura se pueden ver curvas de
sensibilidad para distintas composiciones del fotocátodo. El fotocátodo
convierte energía luminosa en energía eléctrica, la eficiencia con que
lo hace depende de la longitud de onda. Esta relación se denomina
respuesta espectral. La sensibilidad radiante es la relación entre la
corriente generada por el fotocátodo y el flujo radiante de entrada. Y su
eficiencia cuántica QE, la relación entre los fotoelectrones emitidos y
los fotones recibidos. Si inciden N fotones sobre el fotocátodo, NXQE
es la cantidad promedio de electrones emitidos.
Las ventanas se fabrican de material de gran transmitancia en las
longitudes de onda de trabajo. Algunos materiales son cuarzo,
borosilicato, cristal UV especial para ultravioleta y zafiro. Los
fotocátodos se clasifican por el modo de emitir fotoelectrones, como de
reflexión o como de transmisión. Los últimos se colocan en la
superficie de la ventana y cuando incide un fotón por delante, por
detrás se libera un fotoelectrón. Los de reflexión se colocan separados
de la ventana en la trayectoria de la los fotones y emiten un
fotoelectrón por la misma superficie en la que incide el fotón.
98
Se utiliza una fuente de alta tensión de 1 a 2 kilovoltios muy estable
con divisores de tensión resistivos, como se ve en la figura. La
corriente de salida se puede medir con un IV. Lo normal es recibir
pulsos de corriente que se procesan con IV como los vistos en el caso
del fotodiodo y fototubo. Circuitos electrónicos posteriores realizan el
conteo de electrones.
La ampolla que contiene al fototubo esta apantallada contra campos
electromagnéticos y contra fuentes de luz externa.
99
Cuando la radiación de entrada es alta, los pulsos de salida se solapan
dando lugar a un nivel de corriente continua en función de la
intensidad. Pero si la radiación a la entrada es muy baja, los pulsos de
salida se distinguen unos de otros, esta zona de trabajo se denomina
de simple fotoelectrón y se puede realizar un conteo de electrones con
circuitos digitales.
En la figura se puede ver un esquema de conteo de fotones. Primero
se amplifica el pulso, luego se discrimina para eliminar los pulsos de
bajo nivel que pueden ser debido a corrientes termoiónicas. Luego se
conforma el pulso para que pueda ser procesado por un sistema digital
y finalmente se cuenta.
100
101
El pH de una disolución acuosa es una medida de la concentración de
iones de hidrógeno en mol/litro* . Una disolución será ácida si la
concentración de estos iones es grande, y básica si es pequeña.
Se define el pH, como el logaritmo en base diez cambiado de signo de
la concentración de iones.
Debido al cambio de signo la escala de pH va en sentido contrario a la
concentración de iones; es decir que el pH de una disolución aumenta
a medida que disminuye la acidez. Y a la inversa a menor pH, más
ácida es la disolución. La escala de pH va de 0 disolución ácida,
pasando por 7, disolución neutra, hasta 14, disolución básica. Una
concentración baja de 10e-14 mol / litro dará un pH de 14, y una
disolución de 1 mol / litro, dará un pH de 0. El agua destilada a 25ºC
tiene un pH neutro de 7.
* Mol es la unidad de cantidad de sustancia en el Sistema Internacional.
6,022xe23 (número de Abogadro)
102
Consiste en un cilindro hueco, relleno con un gel impregnado de una
sustancia de pH = 7 constante, en contacto con una varilla de plata
cubierto de cloruro de plata, que lleva el potencial medido fuera de la
sonda. El contacto entre el cloruro de plata del hilo de plata y el cloruro
de potasio del gel, constituye un electrodo de potencial constante
porque la concentración del cloruro de potasio del gel es constante.
103
En su extremo la sonda se cierra con una membrana cristalina que da
el nombre al electrodo sensible al pH, en su estructura cristalina se
difunde a unos 50 nanómetros de profundidad las moléculas agua e
iones. El resto del grosor de la membrana cristalina se mantiene seca,
lo que aporta a la sonda la elevada impedancia (varios gigaohmios)
que caracteriza a este sensor.
Cuando la membrana sensible al pH se pone en contacto con una
solución acuosa, se forma una película gelatinosa a ambos lados de
su superficie donde se produce un intercambio de iones. Los iones
positivos de la solución a medir o bien penetra en la película gelatinosa
o bien la abandonan en función de si la solución es ácida o básica
respectivamente. De modo que en la superficie de la membrana se
crea un campo eléctrico en función de la concentración de iones que
da lugar a un potencial. El potencial total de la membrana es función
del potencial interno que es constante y del externo, que depende de
la diferencia de pH entre el líquido bajo medida y el pH constante del
gel.
104
El instrumento de medida solo puede medir el potencial de un punto
con respecto a otro. Hasta ahora solo tenemos el potencial de la
sonda de medida que además es constante. La sonda provoca que en
la membrana cristalina sensible al pH se forme un potencial que
llevaremos al instrumento de medida mediante otra sonda, el electrodo
de referencia.
Similar al electrodo de medida, el de referencia es un cilindro de cristal
o plástico hueco, su interior está relleno un electrolito como el cloruro
potásico (saturado de iones positivos), líquido o impregnado un gel,
donde se introduce un hilo de plata con cloruro de plata en su
superficie para realizar el contacto, formándose un electrodo. El
electrolito con una alta concentración de iones para presentar poca
resistencia eléctrica, debe estar en contacto eléctrico con la solución a
medir, esto se realiza cerrando el cilindro con el diafragma, que es un
puente salino, generalmente una cerámica porosa solamente a los
iones, no a las moléculas para que electrolito y la sustancia a medir no
deben reaccionar en un amplio margen de temperatura. Con esta
disposición el electrodo de referencia está en contacto eléctrico con la
disolución a medir. A ambos lados del puente salino se genera un
potencial (potencial de unión liquida) porque la concentración de iones
no es la misma, pero al permitir el paso de iones a través del puente
salino, este potencial es muy pequeño y constante.
105
Generalmente ambos electrodos se combinan en uno solo, de modo
que el electrodo de media está rodeado por el de referencia. Algunos
incluso con sensor de temperatura incorporado.
106
La respuesta en voltios de un electrodo de pH esta definida por la
ecuación V=V0-K.T.pH. Donde Vo es voltaje constante que engloba
varios potenciales que se producen en todos los interfaces; entre el
electrodo de plata de la sonda de pH y el gel, entre el gel y la
membrana porosa (entre la membrana y la disolución bajo test no
cuenta ya que es el potencial de pH a medir), entre la solución a medir
y el electrolito del interior del electrodo de referencia, y por fin entre
dicho electrolito y el electrodo de referencia.
K es una constante, T la temperatura absoluta y pH el pH de la
disolución bajo test. K·T·pH es el potencial entre la membrana y la
solución a medir; potencial proporcional al pH.
En la figura vemos la gráfica de la respuesta “ideal” de un electrodo de
pH a 25ºC. Idealmente a un pH de 7 el potencial es 0, pero una sonda
real raramente da cero voltios con un pH de 7. Suele haber una deriva
de unos 30 mV. Este error es debido a la distinta dependencia de la
temperatura de las diferentes partes del electrodo Además, la
sensibilidad es K·T lo que implica que depende fuertemente de la
temperatura. A 25 la sensibilidad es –0,1984·(25+273,15)[ mV/pH]=59.15[ mV/pH]. Pero cuando la temperatura cambia también lo hace la
sensibilidad.
107
La figura anterior modela matemáticamente a una sonda de pH ideal.
Pero ya hemos visto que una sonda real tiene una respuesta diferente
debido al desplazamiento de pH0 y el cambio de sensibilidad por la
temperatura. Además dos sondas con la misma referencia no tiene la
misma respuesta.
El equipo de medida debe tener en cuenta ambos; el desplazamiento y
el cambio de sensibilidad. Para lograrlo, antes de medir hay que
realiza una calibración a dos puntos con 2 soluciones de pH conocido
(por ejemplo pH=7 y pH=10 como en la figura ) y una vez que el
peachímetro conoce la recta de la sonda se puede medir el pH de la
solución bajo test.
Otra opción es medir la temperatura de la disolución a medir y realizar
la compensación electrónicamente. Algunas sondas de pH incluyen
sensores de temperatura (RDT o NTC) para este fin.
108
La electrónica de medida básica es un amplificador con muy alta
impedancia de entrada, para que absorba muy poca corriente. Un
convertidor analógico a digital digitaliza la tensión, un microprocesador
encuentra la equivalencia entre milivoltios y pH y muestra este en un
display.
Otro factor de importancia es el tiempo de respuesta del electrodo.
Cuando este se sumerge en la disolución la temperatura de esta y la
del electrodo tienden a igualarse, pero los distintos elementos de un
electrodo combinado, por su disposición física, no cambian su
temperatura a la misma velocidad. En definitiva han de pasar unos
segundos para que la medida sea estable. Un peachímetro de calidad
detecta cuando la medida se ha estabilizado en el tiempo y es
correcta.
109
En la tabla vemos las características de dos modelos de electrodo
combinado de Sentix.
110
111
En un semiconductor la movilidad de portadores de carga puede
variar si se le somete a un esfuerzo. Dependiendo del dopado un
aumento del esfuerzo puede aumentar o disminuir la resistencia del
material, esto se denomina efecto piezoresistivo. Como vimos en las
galgas el cambio de resistencia con la deformación se denomina factor
de galga y en los semiconductores, este factor es del orden de 50 a
100.
Generalmente se implanta un puente Wheatstone en una membrana
de silicio con los cuatro elementos semiconductores activos como se
ve en la figura . La membrana está expuesta a la presión a medir, lo
que
causa una deformación de los elementos resistivos
desequilibrando el puente. Para que los elementos resistivos no se
deformen por igual, se disponen de forma adecuada para que se
deformen uno más que otros y así desequilibrar el puente.
Como la respuesta de los semiconductores es muy sensibles a la
temperatura, estos componentes incorporan algún sistema electrónico
para compensar esta dependencia. Además para lograr un buen
equilibrio del puente cuando no está sometido a presión, se ajustan las
resistencias volatilizando parte de ella con un láser (laser trimming).
112
Las distintas partes se van implantando sobre un substrato
semiconductor nº 2 en la figura. La camara nº1 esta a una presión
constante de referencia, que se cierra con el diafragma nº3 que se
deforma con la diferencia de presión entre sus caras interna y externa.
Las resistencias nº4 cambian de valor con la deformación y mediante
los cables se realizan los 4 contactos, para la tensión de excitación Vs
y la de salida Vo.
113
Posteriormente se encapsula, dejando una entrada para conectar el
sistema cuya presión se va a medir.
114
Estos componentes están disponibles para medida manomética,
diferencial y absoluta.
En el primer caso se mide la presión respecto a la presión atmosférica,
de modo que si la entrada de presión está al aire, la salida de tensión
será cero.
En el caso de medida diferencial, el sensor tiene dos entradas de
presión y la salida es proporcional a la diferencia.
La medida de presión absoluta es como la diferencial, pero solo tiene
una entrada de presión, la otra presión es interna, constante, estable y
conocida, de esta manera el dispositivo puede dar una salida
proporcional a la presión absoluta de su entrada.
115
En las tablas se ven las característica más relevantes de un
determinado dispositivo a 25ºC y alimentado con 10 voltios. “Null
offset” es la salida que puede presenta el puente en equilibrio y “Null
Shift” es lo que puede variar este valor en el margen de temperaturas
indicado. Repetitividad e histéresis están relacionados con la
precisión. El rango de medida va de 1 a 100 psi.
116
Ya hemos visto como se acondiciona con un puente de Wheatstone
otros sensores. Por un lado se excita el puente con una tensión
constante y por otro se amplifica la salida con un amplificador de
instrumentación.
117
Existen dispositivos que llevan el acondicionador integrado en el
propio encapsulado, de modo que solo hay que alimentarlos y recoger
la señal de salida debidamente linealizada.
Por ejemplo, Motorola ofrece la familia MPX5100,
dispositivos
sensores de presión, con acondicionador integrado que dan una salida
entre 0 y 5 voltios proporcional a la presión, especialmente diseñados
para conectarlos a un microprocesador.
Estos dispositivos no están basados en el tradicional puente de galgas
visto antes, sino que utiliza un solo elemento piezoresistivo implantado
por grabado en un diafragma de silicio. Es un sistema patentado por
Motorola. El sistema entrega una salida proporcional a la presión muy
lineal, de gran precisión. sensibilidad y exactitud, además de muy baja
dependencia de la temperatura.
118
Este sensor es utilizado para medir presiones de entre 10e-4 a 10e-6
Torr. Funciona por la ionización del gas remanente en el interior de una
válvula expuesta al vacío, Consiste en una ampolla de vidrio o
metálica cerrada, que se conectada al circuito de vacío que se quiere
medir, en cuyo interior hay una serie de electrodos. Esta configuración
se denomina de cristal tubulado. Otra configuración típica es la de una
base con los electrodos al desnudo, sin ampolla de gas, que se coloca
dentro del volumen al vacio y se denomina desnudo
119
Un filamento a potencial positivo, se calienta para emitir de forma
controlada electrones Ie (típicamente de 25uA a 10mA), que son
atraídos por otro electrodo a potencial más positivo que el filamento, la
rejilla o ánodo. La rejilla está dispuesta formando una espiral. En su
trayectoria los electrones acelerados por el campo eléctrico entre
filamento y rejilla ionizan positivamente, las moléculas de gas que
pueda haber en el interior de la válvula, haciendo que desprendan
electrones. Tanto los electrones desprendidos por el filamento como
los producidos por la ionización, circulan por el circuito de la rejilla o
ánodo. Los iones positivos son atraídos por un tercer electrodo que
está a potencial negativo respecto a los anteriores y situado en eje de
la espiral del ánodo,el colector de iones. esta corriente iónica I+ es
proporcional al número de partículas por unidad de volumen (densidad
de partículas) y esta está relacionada con la presión, que se calcula a
partir de la sensibilidad y las corrientes.
La sensibilidad depende de varios parámetros, como la geometría, la
corriente de emisión etc. También del tipo de gas, en los catálogos se
da generalmente la sensibilidad para el nitrógeno. Pero para hacer
medidas con cierta exactitud hay que hacer calibrados periódicos. Hay
que tener en cuenta que la sensibilidad nominal que da el fabricante
varia sensiblemente entre dispositivos del mismo modelo y varia
también con el uso.
120
Tras un prolongado uso, los electrodos y las paredes de la válvula
quedan cubierto por moléculas contaminantes, que se han acumulado
en su superficie. En el proceso de medida, estas moléculas son
liberadas y reabsorbidas por los electrodos provocando una corriente
que no está relacionada con la presión.
Por eso el sistemas implementa una función de degas. El proceso se
puede realizar o bien conectando el ánodo a una alta tensión positiva,
para crear una fuerte corriente electrónica entre ánodo y cátodo, o
bien conectando dos extremos del ánodo a una fuente de corriente,
para calentar los electrodos y hacer que se desprendan las moléculas
acumuladas (pirolisis), para que sean retiradas por la bomba que hace
el vacío del sistema. Por supuesto cuando se realiza este proceso no
se puede medir.
121
En cuanto a las prestaciones del dispositivo, la salida es fuertemente
lineal respecto de la presión, a partir de una determinada presión la
corriente iónica no solo deja de ser lineal respecto de la presión, sino
que disminuye, además el tiempo de vida media del filamento
disminuye drásticamente. El límite superior lo impone la emisión
fotoelectrones en la banda de rayos X, que se produce al chocar los
electrones con energías de 150eV contra la rejilla. Cuando el colector
de iones intercepta estos fotoelectrones, emite electrones por efecto
fotoeléctrico, esto es interpretado como corriente iónica. Este límite
está típicamente en 3X10e-3 Torr
122
El material con el que está fabricado el filamento generalmente puede
ser de iridio recubierto de torio o itrio, o bien tungsteno sin
recubrimiento. Los de iridio trabajan bien a menor temperatura, por lo
que son más duraderos y no se funden al exponerse a presiones
atmosféricas o de algunas centésimas de torr, donde los filamentos de
tungsteno se funden rápidamente. Por el contrario los filamentos de
tungsteno soportan mejor cierto tipo de contaminantes, como
compuestos halogenados.
123
En la figura vemos esquemáticamente como se polarizaría la válvula.
para realizar medidas. El “electrometer” es un circuito electrónico que
teniendo en cuenta la sensibilidad, convertirá las unidades de corriente
en presión. Cada fabricante suele recomendar, para utilizar con sus
válvulas, sus propios equipos de medida (controladores), que se
adaptan a sus necesidades de “degas” , sensibilidades y corrientes de
emisión.
124
En la figura vemos las especificaciones de un sensor Bayard-Alpert de
Varian. Vemos que da dos rangos de presión de trabajo dependiendo
del tipo de gas. Cuando se trabaja con aire la presión no puede subir
por encima 0.02 torr, en el caso de atmósfera de argón la presión
puede subir hasta 0.1 torr, debido a la ausencia de oxígeno que
quemaría el filamento. Vemos que el límite inferior de presión lo
impone la emisión de rayos X. La sensibilidad típica es 6 (1/torr), pero
hay que tener en cuenta que esta depende, además de la geometría
de la válvula que ya la tiene en cuenta el fabricante, del perfil de
ionización del gas en la válvula y de la temperatura absoluta. Para
mantener la sensibilidad en las especificaciones dadas es necesario
frecuentes calibraciones.
125
Existe una gran cantidad de técnicas para medir flujo de líquidos,
dependiendo del tipo de líquido, el caudal, el circuito por el que circula
etc. Las más conocidas se basan en el principio de Bernoulli. El
rotámetro se basa en la fuerza de empuje del líquido a un obturador
dispuesto verticalmente. Otra técnica es la de interponer una turbina
al paso del líquido y medir la velocidad de rotación. Se emplean
también ultrasonidos, el efecto Doppler, etc.
Aquí nos centraremos en un método de medida térmica, basados en la
transferencia de calor, se utilizan para gases o líquidos con flujos muy
pequeños. Tiene un amplio campo de aplicación en química analítica y
para controlar las cantidades de reactivos en un reactor químico y en
columnas de separación. Tiene la ventaja respecto a otros sistemas de
que la medida no se ve afectada por cambios físicos de la sustancia a
medir, como cambios de viscosidad, temperatura y presión, ya que son
medidores de masa. Son sistemas de gran precisión y exactitud.
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El flujo a medir se hace circular por un tubo. En un punto específico
del tubo se mide la temperatura del gas o líquido, a corta distancia se
instala un elemento calentador que aporta energía térmica al fluido y
en seguida se vuelve a medir la temperatura.
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La primera medida de temperatura del fluido dará un valor T1. La
medida de temperatura después de calentar el fluido T2, será igual
que la primera medida T1 si el fluido no está circulando, Pero si el
fluido esta circulando la segunda medida de temperatura T2 será
mayor que la primera T1.
Esta diferencia de temperatura (T2-T1) es proporcional a la cantidad
de masa por unidad de tiempo que está circulando por el tubo.
K: es una constante del circuito de medida
Φm: flujo (masa por unidad de tiempo)
Ce: calor específico del fluido
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Esquema de bloques de un circuito de medida comercial. Vemos que
los elementos sensores son dos resistencias (RDT o NTC) colocan en
un puente de medida, de forma que cuando miden distinta
temperatura, su valor resistivo es diferente desequilibrando el puente,
de modo que su salida da un valor distinto de cero. Se corrige la no
linealidad del puente y se amplifica.
El sistema representado es el de un medidor/controlador de fluido, por
lo que tiene una entrada de setpoint (flujo deseado) que se compara
con la salida del circuito medidor (flujo real), el resultado de la
comparación activa o no una electro válvula, según si el flujo real es
menor o mayor que el deseado.
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El sistema puede trabajar con presiones desde vacío a 400 bar.
El fabricante afirma que el medidor trabaja con un grado de diferencia
entre T1 y T2.
Esta familia de medidores cubre un rango de flujo de 1,5 miligramos a
20 kilogramos por hora.
El sistema es insensible a la posición.
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Si una carga en movimiento q, animada por una velocidad v se ve
afectada por un campo magnético B, experimenta una fuerza
perpendicular a la dirección de la carga y al campo magnético.
Esta fuerza de empuje es una fuerza de Lorentz, y es proporcional a la
carga q, a su velocidad v y a la intensidad de campo magnético B.
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En los extremos del conductor plano podemos medir una diferencia de
potencial proporcional a la corriente y al campo magnético.
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Este efecto se utiliza para medir campos magnéticos. Basta con hacer
circular por el sensor una corriente conocida y medir la tensión en sus
extremos, esta será proporcional a la corriente y al campo magnético,
como la primera es conocida, podemos calcular el campo magnético
B.
B=V/S si B y la superficie del sensor son perpendiculares. En general
B=(V/S)sen(ß), Siendo ß el ángulo formado por B y la superficie del
sensor.
La sensibilidad S, es una característica del sensor, depende de la
constante Hall del material utilizado y del grosor de la lámina.
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Este sensor tiene múltiples aplicaciones. Una de ellas es la medida de
corriente.
Cuando en un núcleo de materia ferromagnético se arrollan N espiras
de un conductor por el que circula una corriente I, en el interior del
núcleo se genera un campo magnético B, proporciona a constantes
del núcleo (l y μ) la corriente y al número de espiras N·I.
Si medimos el campo magnético B con un sensor Hall, podemos
conocer la corriente I.
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Si un conductor por el que circula una corriente atraviesa un núcleo
toroidal como en la figura, en el interior del toroide se crea un campo
magnético proporcional a la corriente y a constantes de toroide.
Midiendo el campo magnético B con un sensor de efecto Hall como en
la figura, podemos conocer la corriente.
Este sistema tiene la ventaja de que no hay que abrir el circuito para
medir la corriente.
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En la figura vemos un sensor de corriente que puede medir 100
Amperios. Dando una salida de 0 a 5 voltios
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