Anexo 1: Transductores

Transductores.
Un transductor consiste en un dispositivo que absorbe energía de un sistema y que la cede a otro, por lo
general en otra forma diferente de energía. La justificación de estos transductores es que se hace necesario
transformar una determinada magnitud física en una magnitud eléctrica (tensión, corriente, resistencia, etc.).
De esta forma es posible distinguir diferentes tipos de transductores:
-
Transductor de Fuerza.
Transductor de Presión.
Transductor de Aceleración y Velocidad.
Transductor de Nivel.
Transductor de Caudal.
Transductor de Temperatura.
Transductor de Luz.
Algunos conceptos relacionados con estos dispositivos:
-
Campo de medición: corresponde al margen entre los valores mínimo y máximo de la magnitud física
medida por el transductor.
-
El valor de F.S.O. (“Full Scale Output”): corresponde al valor de fondo de escala, y es la diferencia
entre las tensiones de salida del transductor, correspondientes a los valores límites del campo de
medición.
-
Constante de proporcionalidad: es la relación que existe entre el valor de salida y el correspondiente
valor de la magnitud de entrada.
-
Error de linealidad: es el desplazamiento de la constante de proporcionalidad entre el valor de entrada y
el de salida. Éste se expresa en porcentaje del valor máximo de salida.
-
Precisión: se conoce también como error de medición, y corresponde al margen máximo entre el valor
medido y el real; se expresa en porcentaje del valor del fondo de escala.
-
Velocidad de respuesta: corresponde a la rapidez con la que la magnitud de salida responde a las
variaciones de la magnitud de entrada.
-
Estabilidad: es la constancia de la relación entrada-salida para todas las condiciones de funcionamiento.
-
Repetitividad: es el margen de tolerancia que abarca los valores de la misma medición. Normalmente se
expresa en fracciones de la precisión.
Un aspecto importante es la determinación de la linealidad de los transductores, la cual se determina en forma
porcentual.
El procedimiento de determinación de la linealidad se ilustra a continuación:
Para trazar la curva característica entrada-salida de los transductores se efectúan una serie de mediciones para
determinar los valores de salida correspondientes a los distintos valores de la magnitud física de entrada. Para
eso se construye un gráfico de coordenadas donde se ubicarán los puntos correspondientes a los datos
medidos. Luego se trazará la recta que más se aproxime a dichos puntos. Esta curva se denomina recta
optimal del transductor.
Luego se trazan dos rectas equidistantes de la recta optimal (y paralelas a ésta) de manera que abarquen todos
los puntos del diagrama.
Después, trazar una recta paralela al eje de las ordenadas, indicando por V1 y V2 los puntos de intersección
entre dicha recta y las dos paralelas. Esta situación se ilustra en la siguiente figura:
SALI DA
RECT A OPT IMAL
V2
V1
0
MAGNIT UD FISICA
De acuerdo a lo anterior, la linealidad puede ser expresada como:
Lin. [%] =
1
2
.
I V2 - V1 I
. 100
Valor F.S.O.
Donde el valor F.S.O corresponde al valor de fondo de escala, es decir la diferencia entre las tensiones de
salida correspondientes a los valores límites del campo de medición.
TIPOS DE TRANSDUCTORES:
Los sensores se analizarán para cada una de las variables a sensar, los cuales se detallan a continuación:
Transductores de Fuerza: Éstos se subdividen en tres categorías:
- Transductores basados en la aplicación de las leyes de la estática:
En éstos se recurre al hecho de medir una fuerza incógnita utilizando la ley fundamental de la mecánica
clásica, la cual está dada por la relación:
F – ma = 0
Lo mismo se puede decir examinando la aceleración angular d/dt de un cuerpo (con un momento de
inercia axial J alrededor del eje de rotación relativo) bajo la acción de un sistema de pares M cuya
dirección es la de dicho eje. Se obtiene la relación:
M – J(d/dt) = 0
Generalmente, en las mediciones industriales, los transductores que toman como base las ecuaciones
mencionadas, se utilizan en condiciones de carga constante. Las únicas aceleraciones presentes son las que
se deben al transitorio de aplicación de la magnitud incógnita. En este caso el análisis se hace para estado
estacionario (se considera el transitorio como acabado), por lo que se utilizan las siguientes fórmulas:
F = 0
M = 0
- Transductores basados en el fenómeno de la reacción elástica:
Para hacer referencia a este tipo de transductores, supóngase un cuerpo homogéneo e isótropo de forma
prismática, con una de sus bases apoyada en un soporte de material con rigidez infinita, mientras que a la otra
base se le aplique una fuerza F perpendicular a la misma. El cuerpo se deforma produciendo una fuerza
reactiva Fr (definida por la ley de Hooke), y el comportamiento resulta ser puramente elástico.
Cuando F es igual a Fr, es decir, en el punto de equilibrio, la altura del prisma tiene una variación porcentual
de:
1 = L/L = F/EA = KF
donde:
L : altura del prisma.
F : fuerza aplicada.
E : módulo de elasticidad longitudinal o módulo de Young del material.
A : área de la base apoyada.
Gracias a la ayuda de esta ley, es que cualquier cuerpo se puede considerar un sensor lineal de la fuerza
aplicada en función de la deformación longitudinal.
Se debe escoger el material y la sección de modo adecuado, tomando en cuenta el máximo valor de f, de
modo de no salir del tramo rectilíneo de la característica de transducción.
Hay que recordar también que a la deformación longitudinal (1), corresponde otra transversal ( t) de signo
opuesto y dependiente de la primera a través del coeficiente de Poisson (). Por lo tanto en el campo de
validez de la ley de Hooke, existe también una relación lineal entre la fuerza aplicada y la deformación
transversal:
 t = - 1 = - (/EA) F = -K’K
Se logra obtener una transducción lineal “Fuerza/deformación”. Entonces el problema consiste en determinar
la deformación y transformarla en una señal eléctrica proporcional a aquélla.
Para realizar la transducción, se emplean, normalmente, prismas de sección anular que van interpuestos entre
el objeto de peso incógnito y el soporte.
Será posible amplificar la cantidad de la deformación, poniendo bajo flexión una barra prismática delgada
empotrada en un soporte, como se aprecia en la siguiente figura:
F
L
DEFORMACION AMPLIFICADA DEPENDIENTE DE "L"
Para simplificar la aplicación de la fuerza puede recurrirse a una estructura de anillo como la siguiente:
F
F
Las deformaciones producidas por una fuerza en estos dispositivos se determinan con sensores como los
“strain gage” resistivos y los “strain gage” de semiconductor, los cuales son dispositivos que relacionan su
deformación porcentual con una variación de resistencia.
- Transductor de peso o celda de carga:
Este tipo de transductor de fuerza está dotado de extensímetros (“strain-gage”). Esta celda transforma una
fuerza aplicada (peso) en una variación de la tensión presente en la salida de un puente de extensímetros.
Generalmente en la celda de carga hay varios extensímetros, los cuales están montados en el elemento
mecánico alterable y conectados en puente. Las celdas de carga que emplean extensímetros del tipo resistivo
tienen una impedancia de aproximadamente de 350 ohmios y una sensibilidad de aproximadamente de 2
mV/V en el fondo de escala (es decir, si se le aplicara al puente de extensímetros una tensión de 10 V, la
variación de la tensión de salida será igual a 20 mV). El funcionamiento consiste en que al aplicar sobre este
dispositivo una fuerza, se obtiene una deformación de la estructura metálica alterable. La precisión de la
transducción depende considerablemente de la calidad de las conexiones entre la celda de carga y sus planos
de apoyo, donde éstos últimos deben ser muy rígidos, muy planos y deben crear un contacto lo más extenso
posible que no sea variable según la posición y el valor de la carga.
- Transductores basados en el fenómeno de la piezoelectricidad:
Estos transductores se usan especialmente cuando las fuerzas a medir son dinámicas. Aprovechan el
fenómeno en el que variaciones de carga se verifican en algunos materiales cuando éstos están expuestos a
fuertes acciones físicas.
Estos dispositivos piezoeléctricos se usan en instrumentos utilizados para el estudio de las vibraciones.
Los transductores basados en este fenómeno están realizados con cerámicas, como por ejemplo el titanato de
bario o el de plomo. También se utilizan cristales como la turmalina, el cuarzo y la sal de "seignette" (tartrato
de sodio y potasio). Generalmente, en la industria se utiliza el cuarzo, más que nada por motivos tecnológicos.
También es importante enumerar los parámetros que caracterizan a un transductor de fuerza:
- Campo de medidas (expresado en Kg): corresponde al margen de las fuerzas que el sensor es capaz de
convertir sin modificar sus características de medición.
- El valor de sobrecarga estática admitido (expresado en Kg): es el valor de la máxima fuerza que puede
soportar el dispositivo sin dañarse.
- Campo de precisión primaria (en ºC): es el margen de temperaturas dentro del cual los datos de medición
cumplen valores determinados.
- Linealidad: se expresa en porcentaje del valor de fondo de escala, y se entiende como la desviación que
experimenta el transductor respecto al funcionamiento lineal ideal.
- Sensibilidad (o resolución): es la más pequeña variación de la magnitud de entrada para la cual es posible
distinguir variaciones apreciables en la salida. Se expresa como valor de señal de salida para una determinada
entrada unitaria.
- Repetibilidad: expresada en porcentaje del valor de fondo de escala, indica la capacidad que tiene el
transductor de reproducir la señal de salida cuando en la entrada se presenta, en forma sucesiva, la misma
muestra de magnitud a medir.
- Estabilidad: se expresa en porcentaje del valor de fondo de escala. Este parámetro indica la capacidad que
tiene el transductor de mantener la señal de salida cuando en la entrada se mantiene fijo el valor de la fuerza
a convertir.
- La histéresis: representa el desplazamiento máximo entre dos indicaciones dadas por el transductor (para
un mismo valor de fuerza), cuando éste es alcanzado desde direcciones opuestas.
Transductores de presión:
Estos dispositivos se dividen en tres categorías, de acuerdo al modo como se realice la medición:
a) Transductores de presión absoluta: estos dispositivos contienen la referencia del vacío y sirven para
medir la presión absoluta del ambiente o de la fuente de presión conectada al transductor por medio de tubos.
b) Transductores de presión diferencial: sirven para medir la presión diferencial que existe entre dos
fuentes de presión conectadas a dichos transductores, por medio de tubos.
c) Transductores de presión relativa en el ambiente: son transductores de presión diferencial en donde la
fuente de presión consiste en la presión atmosférica local, mientras que la otra fuente va conectada a los
mismos por medio de tubos.
Los transductores de presión están formados básicamente de dos partes principales: la primera sirve para
convertir la presión en desplazamientos o movimientos, mientras que la segunda parte se encarga de convertir
dichos desplazamientos en señales eléctricas.
Transducción presión-desplazamiento
La conversión mecánica de la presión a un desplazamiento se logra con una membrana corrugada o
diafragma. Este diafragma es un disco metálico con sus bordes fijados a un soporte rígido.
El fluido bajo presión está en contacto con una de las caras del diafragma, curvándola en forma proporcional a
la presión que se ejerce. Soldando dos de estos diafragmas metálicos corrugados se obtiene una cápsula.
Estos elementos se muestran en la siguiente figura:
DIAFRAGMA
p (t)
SOPORTE RIGIDO
DIAFRAGMA
p (t)
p (t)
CAPSULA
DIAFRAGMAS
CORRUGADOS
Normalmente, la presión a medir debe actuar sobre las caras externas del elemento.
Cuando se quiera medir la diferencia que existe entre dos presiones, será necesario aplicar una de ellas en el
interior de la cápsula.
Transducción desplazamiento-tensión:
Los transductores que realizan la transformación del desplazamiento en tensión se dividen en diferentes tipos
de acuerdo al modo como realizan dicha transducción:
a) Transductores de presión de tipo LVDT “Linear Variable Differential Transformer” (lineal
diferencial variable): el desplazamiento que se obtiene a través de un diafragma o de una cápsula se
transmite a un núcleo magnético ubicado a lo largo de los ejes coincidentes de tres devanados de un
transformador. El devanado central, o primario del transformador, presenta en sus extremos una tensión
alterna. Los dos devanados externos corresponden a los secundarios del transformador. Cuando el núcleo está
centrado (posición cero), las dos tensiones inducidas son iguales y están desfasadas. Cuando el núcleo se
desplaza como consecuencia de una presión aplicada, en uno de los secundarios la tensión inducida aumenta,
mientras que en el otro disminuye. La diferencia resultante, varía con la presión aplicada en forma lineal.
Un esquema de este tipo de transductor se muestra a continuación:
ENTRADA
SECUNDARIO 1
p (t)
PRIMARIO
SECUNDARIO 2
s (t)
NUCLEO MAGNÉTICO
SALIDA
TRANSDUCTOR DE PRESIÓN DE TIPO LVDT.
b) Transductores de presión potenciométricos: en este tipo de dispositivos, el desplazamiento obtenido
mediante un diafragma o cápsula se transmite al cursor de un potenciómetro, cuya variación de la resistencia
resulta proporcional a la presión.
c) Transductores de presión de “strain-gage”: el “strain gage” (extensímetro) es un elemento resistivo que
cambia de valor al variar una de sus dimensiones (por ejemplo, su longitud). Si se fija rígidamente a una de
las caras de un diafragma, el “strain-gage” cambiará su valor de modo proporcional a la presión presente en la
otra cara del diafragma.
POTENCIOMETRO
p (t)
TRANSDUCTOR DE PRESIÓN POTENCIOMETRICO.
SOPORTE
STRAIN GAGE
p (t)
DIAFRAGMA
TRANSDUCTOR DE PRESIÓN DE “STRAIN-GAGE”.
Transductores monolíticos de presión:
Estos transductores se diferencian de los anteriores en que reúnen en un único dispositivo las dos funciones
de transducción propia de los sensores de presión. De esta forma, la transducción “presión-desplazamientotensión” se puede efectuar con los siguientes dispositivos:
a) Transductores de presión capacitivos: en éstos la presión aplicada produce una deformación del
diafragma cerámico, produciendo con esto una variación de la capacidad del condensador. Mediante la
aplicación de técnicas adecuadas es posible obtener una proporcionalidad entre las deformaciones del
diafragma y las variaciones de la capacidad, y las de presión.
b) Transductores de presión piezorresistivos de película gruesa: el funcionamiento se basa en el
fenómeno de la piezorresistividad, que es la propiedad de algunos materiales de variar su resistencia debido a
deformaciones que experimentan.
c) Transductores de presión de semiconductor: Se basan en la piezorresistividad. Las resistencias del
puente se obtienen mediante difusión sobre un soporte de silicio. La célula constituida por el puente va
soldada electrostáticamente a un soporte de vidrio, y así queda desacoplada mecánicamente del mundo
exterior.
d) Transductores de presión piezoeléctricos: Estos dispositivos basan su funcionamiento en el fenómeno
de la piezoelectricidad, que corresponde a la propiedad de algunos materiales de generar una tensión cuando
se hallan sometidos a una solicitación (fuerza-presión). Se emplean en las mediciones de presiones de alta
frecuencia y en las de niveles de sonido.
Transductores de temperatura:
Acá se pueden distinguir diferentes tipos de acuerdo al elemento empleado para su funcionamiento:
- Transductor de temperatura de semiconductor(STT):
En estos dispositivos se aprovecha la gran sensibilidad de los materiales semiconductores a la temperatura.
Ofrecen un coeficiente de temperatura mucho más alto que el de la termorresistencia y tienen un campo de
temperaturas mucho más ancho y una menor linealidad.
Aproximadamente la ley de variación de la resistencia en función de la temperatura se puede representar de la
siguiente forma:
RT = RO(1+T)
Generalmente la conexión entre el transductor y el acondicionador de señal se realiza con dos alambres.
Cuando cambia la temperatura de los alambres, el valor de la resistencia total del conjunto transductoralambres cambia. Todos los alambres que salen del transductor están constituidos por el mismo material y
tienen la misma longitud, de manera que tienen la misma resistencia R. Así, mediante un amplificador
diferencial es posible obtener una tensión que depende solamente de la resistencia R.
A 25ºC la resistencia nominal está comprendida entre 10 [] y 10 [K], con una tolerancia de 1% hasta
20%. Una consideración importante, es tener especial cuidado en el autocalentamiento provocado por la
corriente de medición, por lo que se hace necesario que el transductor no sea atravesado por corrientes
superiores a 10 [mA].
- Termorresistencia (RTD):
En las mediciones de temperatura, la termorresistencia aprovecha la variación de la resistencia de un
conductor eléctrico. Se encuentran dos tipos normalizados de termorresistencias: las de níquel y las de platino.
La termorresistencia de níquel tiene el coeficiente de temperatura =6,17*10-3 C1 y puede usarse entre –60 ºC
y +150 ºC. La termorresistencia de platino tiene el coeficiente de temperatura =3,85*10-3 C1 y puede usarse
entre –220 ºC y +750 ºC. Las termorresistencias que se utilizan normalmente tienen una resistencia de 100
[] a 0ºC, con una tolerancia de  0,1ºC.
Normalmente la conexión entre la termorresistencia y el acondicionador se hace a través de dos alambres.
Debido al autocalentamiento hay que tener las mismas consideraciones con respecto a la corriente de
medición que el caso de semiconductor.
- Termopar o termocupla:
El termopar consta de dos conductores metálicos de naturaleza distinta cuyo punto de conexión constituye un
contacto galvánico (soldadura).
METAL 1
Tc
METAL 2
TERMOCUPLA
Cuando el termopar (o “unión caliente”) alcanza la temperatura que se quiere medir, se conectan los
conductores con el punto de medición (“unión fría”) que tiene una temperatura diferente. En dicho circuito se
produce una f.e.m. termoeléctrica, cuyo valor está dado por la diferencia T C – TF. De esta manera conociendo
el valor de la f.e.m. y de la temperatura T F será posible conocer la temperatura T C.
Como se hace necesario conocer el valor de la temperatura T F, conviene agregar a los hilos del termopar
alambres de compensación hasta el punto en que la temperatura es conocida y queda constante.
Transductores de aceleración-Acelerómetros:
Los acelerómetros son transductores electromecánicos, cuya salida entrega una señal eléctrica proporcional a
la aceleración vibratoria a que se les somete.
Su elemento activo está formado por uno o varios discos piezoeléctricos sometidos a cargas representadas por
una o varias masas sísmicas y mantenidos en posición mediante un resorte rígido.
RESORTE
CAJA
MASA
SISMICA
ELEMENTO
PIEZOELECTRICO
BASE
Cuando un acelerómetro se halla sujeto a vibraciones, la masa sísmica ejerce una fuerza variable sobre los
discos o barras que, debido al efecto piezoeléctrico, generan una carga eléctrica.
Para un rango de frecuencias comprendido entre cero y aproximadamente un tercio del valor de la frecuencia
de resonancia del acelerómetro, la aceleración de la masa sísmica será igual a la aceleración de todo el
transductor. De esta forma, la carga producida por el elemento piezoeléctrico será proporcional a la
aceleración a la que esté sometido el transductor.
Un acelerómetro piezoeléctrico puede ser considerado como una fuente de carga o de tensión. Su sensibilidad,
que depende de la relación entre la señal eléctrica presente en su salida y la aceleración que provoca dicha
señal, puede ser expresada en unidades de carga por unidades de aceleración, y también en unidades de
tensión por unidades de aceleración. La sensibilidad depende del tipo y del tamaño del elemento
piezoeléctrico, y también del peso de las masas sísmicas que actúan como carga.
Por lo general, mientras más grande y pesado es un acelerómetro, mayor es su sensibilidad.
Transductor de velocidad:
La forma de medir la velocidad de un cuerpo rígido consiste en medir el desplazamiento de uno de sus puntos
en un cierto tiempo, o calcular el tiempo que se emplea en que uno de sus puntos recorra un determinado
espacio. En este caso se usa una dínamo tacométrica, formado por un estator, el cual tiene un imán, y por un
rotor, que contiene N espiras. La señal de salida se obtiene mediante dos escobillas. Como se sabe, el campo
magnético se obtiene (generalmente) por medio de un imán permanente en forma de herradura con dos piezas
polares entre sus ramas. La espira del inducido, la cual se ubica en el entrehierro, gira a una velocidad angular
.
Dicha espira es atravesada por un flujo que varía según la relación =0cos(t);por lo tanto la tensión en sus
extremos resulta ser del tipo:
E = 0  sen(t)
donde se aprecia que el valor máximo es proporcional a la velocidad angular.
Como se dijo anteriormente, la señal de salida se obtiene a través de dos escobillas que, del colector, extraen
las tensiones sinusoidales suministradas por cada espira durante un tiempo igual a 2/N.
La siguiente figura muestra como evoluciona en el tiempo la tensión extraída E D. Tanto la evolución como la
amplitud, varían en función de la velocidad angular . En la figura también se puede observar, superpuesta a
la componente proporcional a , una componente alterna cuya armónica fundamental tiene una pulsación
proporcional a N y cuya amplitud es inversamente proporcional a N.
La presencia de esta componente alterna origina un error conocido como ondulación (“ripple”). Este error, por
lo general, equivale a algunos tantos porcentuales.
El parámetro que caracteriza una dínamo tacométrica es la “constante tacométrica”, la cual está dada por la
siguiente expresión:
KT 
60 V
·
2p n
donde:
n = valor nominal del número de revoluciones por minuto (r.p.m.).
V= tensión nominal (V).
KT= constante tacométrica. (V/rd/s).
Para expresar la constante tacométrica en unidades de V/r.p.m. se utiliza la siguiente relación:
KT (V/rd/s) = K (V/r.p.m) ·
2
60
Mayor información con respecto a características de este transductor, se puede obtener de las hojas técnicas o
de especificaciones.
Para poder analizar los transductores de aceleración y de velocidad angular, con sus acondicionadores de
señal, es necesario producir una aceleración patrón variable y una velocidad angular patrón variable. Lo
anterior se logra con una unidad constituida principalmente por un motor de corriente continua para generar
la velocidad angular, por un mecanismo de transmisión “biela-manivela” para generar la aceleración y por un
sistema óptico para determinar la velocidad angular.
La velocidad máxima del motor es de 4000 r.p.m., con una tensión de alimentación de 27,5[V]. Variando la
tensión de alimentación entre 0 y 27,5 [V] se obtienen velocidades intermedias. Cuando se utiliza el
mecanismo “biela-manivela”, la fuerte carga presente en los movimientos de inversión hace que el motor
pueda alcanzar una velocidad máxima de 800 r.p.m., que corresponde a 6 [V] de alimentación.
Si se desea analizar la dínamo tacométrica en todo el campo de velocidades, es necesario desacoplar el
mecanismo “biela-manivela” del volante fijado al eje del motor.
El mecanismo de “biela-manivela” se ilustra en la siguiente figura:
PIE DE LA BIELA
w
i
P1
i
L
r
MANIVELA
P0
P
S
A
BIELA
L-r
2r
L+r
Observando la figura anterior, el punto P se mueve a lo largo de la recta i-i (aceptando una hipótesis
simplificadora del movimiento). Con P0 y P1 se indican las posiciones de los puntos muertos exterior (=0º)
e interior (=180º) respectivamente del pie de la biela. Por otra parte, s representa la fracción de recorrido que
cumple el pie de la biela cuando la manivela gira, desde el punto muerto exterior, un ángulo .
Suponiendo que la manivela gira a una velocidad constante  en el sentido de las manecillas del reloj, y
realizando un análisis detallado un poco extenso (se dará sólo el resultado) es posible establecer una expresión
que representa el movimiento del pie de la biela. Realizando una doble derivación con respecto al tiempo de
esta ecuación se llega a una expresión que representa la aceleración del pie de la biela, cuyo resultado se
muestra a continuación:
AP = r2 (cos + cos2)
Considerando que la velocidad del motor es perfectamente constante, la relación que vincula la aceleración
del pie de la biela, y por lo tanto del acelerómetro, a la velocidad del motor en el punto muerto exterior será:
APext. = n2 (2/60)2 r (1 + r/L)
Donde:
n = número de r.p.m. del motor.
r = radio de la manivela (en metros).
L = longitud de la biela (en metros).
De la misma forma, en el punto muerto interior, la aceleración estará dada por:
APint. = -n2 (2/60)2 r (1 + r/L)
En este caso, el equipo que se emplea tiene los siguientes valores:
r = 0,055 [m]
L = 0,3 [m]
Si se considera la aceleración entre ambos puntos, se puede escribir:
A = APext + APint
lo que arroja como resultado:
A = 2 n2 (2/60)2 r
A = 2n2 K
con K= (2/60)2 r = 603* 10-6
Finalmente la expresión que entregará la aceleración está dada por
A = 2n2 ·603* 10-6 [m/s2]
donde n = número de r.p.m. del motor de corriente continua.
La velocidad angular del motor (velocidad angular patrón que debe tomarse como referencia al analizar el
transductor de velocidad) es obtenida en forma precisa mediante un sistema óptico. En el eje mismo del
motor ha sido montado un disco con 60 agujeros dispuestos en proximidad de la circunferencia. Dicho disco
está montado en el eje mismo del motor. Este sistema óptico genera un impulso en presencia de un agujero
del disco. Contando el número de impulsos por segundo, mediante un contador, se obtiene el número de
revoluciones por minuto que efectúa el motor.
Transductores de iluminación:
Los transductores de iluminación son dispositivos capaces de transformar la radiación luminosa en una
magnitud eléctrica (resistencia, corriente), y que también pueden ser utilizadas como transductores indirectos
de otras magnitudes físicas como posición, velocidad angular, etc.
La radiación luminosa, al interactuar con la materia, produce diversos efectos. Entre los más importantes se
encuentra el “Efecto Fotoeléctrico” que consiste en la liberación de electrones de una superficie metálica
cuando a ésta le llegan radiaciones luminosas y, en el caso de semiconductores, en la generación de pares
electrones-huecos.
Con relación a los efectos fotoeléctricos sobre los semiconductores, se pueden dividir en dos grupos:
1- Efecto fotoconductor
La conductividad de una barra de semiconductor depende de la intensidad de la radiación luminosa que le
llega.
2- Efecto fotoeléctrico sobre la unión (Efecto Fotovoltaico)
La corriente a través de una unión P-N polarizada depende de la intensidad de la radiación luminosa. Si la
unión no está polarizada, en sus extremos se genera una fuerza electromotriz (Efecto Fotovoltaico).
En la primera categoría se encuentran dispositivos que se denominan fotorresistencias, mientras que en la
segunda categoría se encuentran los fotodiodos, las células eléctricas y los fototransistores.
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 .
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 I c con la variación de iluminación E.
Ic
[mA]
+Vc c
RB
R
=
RB
<
TR
RB
E [LUX]
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.
Los fotodiodos al Silicio presentan la máxima sensibilidad para radiaciones luminosas con una longitud de
onda comprendida entre 0.8 y 0.9 m, mientras que los fotodiodos al Germanio presentan la máxima
sensibilidad entre 1.6 y 1.8 m.
Una mejora de las características se logra intercalando entre los semiconductores dopados P y N, un
semiconductor no dopado (estructura P.I.N).
Si un fotodiodo no polarizado y sin carga se ilumina, se detecta una tensión entre sus extremos, generada en el
interior de la unión por la interacción entre la radiación luminosa y el material semiconductor (efecto
fotovoltaico).
Luego si se conecta una carga al fotodiodo, se produce una circulación de corriente, obteniendo un generador
de energía eléctrica.
Fuente luminosa
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].
La mencionada lámpara se encuentra dentro de una unidad de proceso que incorpora un dispositivo de
alejamiento de los sensores de la lámpara, efectuando de esta manera la variación de la energía que llega a los
transductores.
En esta unidad es posible leer la intensidad de la iluminación producida, cuya unidad utilizada es [Lux].
La siguiente tabla resume los valores de la iluminación de acuerdo a la distancia entre la lámpara y los
sensores.
DISTANCIA
FILAMENTO SENSORES
[cm]
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
ILUMINACIÓN
[Lux]
3330
1875
1200
830
612
468
370
300
248
208
177
153
133
117
104
93
83
75
68
62
57
ESCALA
GRADUADA
[cm]
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
Transductores de nivel:
Para medir niveles se utiliza un detector de presión. Un bucle de medición permite generar una tensión
continua que evoluciona en función del nivel del agua de una columna. De este modo, resultará que a cada
nivel de la columna le corresponde un solo valor de tensión de salida. Se dice entonces que hay una analogía
entre el nivel y la magnitud que lo representa, que en este caso es la tensión de salida. Se puede afirmar, así,
que una magnitud o una información es de tipo analógico cuando varíe de modo continuo, o cuando no
presente ninguna discontinuidad.
En condiciones estáticas el nivel de un líquido resulta vinculado a la presión según una ley de
proporcionalidad. Definiendo con “L” el nivel, es decir la altura, del líquido en un tanque, la presión que se
ejerce en el fondo del mismo estará dada por:
P = L·g·Ms
En donde:
P= presión (en Pa= Pascal = Nm-2 =10-5 bar)
L = nivel (en m)
g = aceleración de la gravedad (g=9,8 m/s2)
Ms = masa específica del líquido (Kg/m3)
De todo lo anterior se deduce que para medir un nivel basta con medir una presión.
Entre los transductores de presión los más importantes son los de “strain gauge” o transductores
extensométricos. El funcionamiento de dichos transductores se basa en la piezorresistividad, que es la
propiedad de algunos materiales de cambiar la propia resistencia en función de la deformación a la que están
sometidos.
En un diafragma de silicio se montan cuatro resistencias que se conectan en puente de Wheatstone. Luego se
suelda dicho diafragma a un soporte de vidrio anular.
Posteriormente, se alimenta el puente conectando con una de las diagonales un generador de tensión
constante, mientras de la otra diagonal se extrae una tensión variable y proporcional a la presión ejercida
sobre el diafragma. Lo anterior se ilustra en la siguiente figura:
1
2
Vcc
+
-
Vo
4
3
El detector aprovecha la presión ejercida por el agua de la columna para provocar una deformación elemental
de los extensímetros.
Anexo 2: Acondicionadores de señales
Acondicionador de señales para el transductor de peso:
Debe ser tal que amplifique la señal de salida del sensor, la cual es muy baja, de manera que sea fácil de
manipular. Además deberá proporcionar un “offset” (puesta a cero) adecuado y permitir la adaptación de las
escalas (variaciones de amplificación), para obtener una correspondencia numérica entre la fuerza y la
tensión.
La señal de excitación +Vref se obtiene mediante un regulador de tensión Z1 (que corresponde al integrado
TL431). Por otro lado, la señal correspondiente a –Vref se logra con la ayuda del integrado IC1. La etapa de
lectura se realiza mediante un amplificador diferencial. La señal de salida de dicho amplificador diferencial
entra en una nueva etapa de amplificación dado por IC3 en la figura del circuito, cuya función es la de adaptar
las escalas y de anular el offset del transductor. De esta forma se obtendrá a la salida una tensión que será
proporcional a la fuerza.
Un esquema de un circuito propuesto para este acondicionador se muestra en la figura 1.
Acondicionador de señal para el transductor de presión:
El acondicionador para este tipo de transductor es simple, ya que la señal (proporcional a la presión) que sale
del sensor es suficientemente grande. De este modo el acondicionador tendrá que encargarse de realizar el
“offset” y una pequeña amplificación para poder adaptar las escalas correspondientes a presión-tensión.
La señal de excitación se consigue por medio del regulador TL430C, cuyas características se detallan en las
hojas de especificaciones que se adjuntan. La etapa de lectura está formada por un amplificador operacional
IC1 (integrado OP07) conectado como amplificador diferencial. Posteriormente la señal de salida del
amplificador diferencial entra en otra etapa de amplificación, denotado por IC2 que corresponde al integrado
A741, cuya finalidad es la de adaptar las escalas y la de anular el “offset” del transductor.
Un circuito propuesto se muestra en la figura 2.
R1
R2
Z1
R5
T1
R6
RV1
REF
3
R4
R3
2
+
-
C1
-12 V.
+12 V.
R7
+VREF
6
+VREF
+12 V
C2
R9
R8
3
2
R10
+
-
4
7
-12 V
IC1
OP07
+12 V
R11
C3
6
R13
(3)
-VREF
RV2
R12
+VREF
(4)
Figura Nº1:Circuito acondicionador para el transductor de peso.
(2)
(1)
TRANSDUCTOR
-VREF
R15
R14
R16
-
3 +
2
IC2
R17
-12 V
+12 V
C4
6
RV3
OUT
(5)
+12 V
R1
R2
Z1
T1
RV1
REF
R4
R3
C1
+VREF
C2
R6
R5
3
2
R7
+
-
4
7
-12 V
IC1
OP07
+12 V
R11
6
(3)
RV2
(4)
Figura Nº2:Circuito acondicionador para el transductor de presión.
(2)
(1)
TRANSDUCTOR
C3
+VREF
R10
R9
R11
-
3 +
2
IC2
R12
-12 V
+12 V
C4
6
RV3
OUT
(5)
Acondicionador de señales para transductor de temperatura de semiconductor:
Sirve para vincular la variación de la temperatura, de 0 a 150ºC, con una tensión de salida variable entre un
rango específico. La medición de la resistencia del termistor se realiza con un puente de Wheatstone, el cual
se monta con los componentes de este acondicionador. Esta configuración de puente de Wheatstone se
alimenta con una tensión de referencia, que la proporciona el generador interno formado por Z1, R1, R7, R8,
RV1 y C1. El puente de medición está constituido por las resistencias R2, R4, R5 Y RV2, además del sensor
de temperatura. Como el transductor utilizado es de tres hilos, se utiliza un amplificador diferencial para que
el valor resistivo de los alambres del transductor sea lo más mínimo posible. En el circuito también debería
haber un señalador de sobretemperatura, de modo que se pueda inspeccionar el proceso de medición para
evitar que se sobrepase la temperatura de 150ºC en el transductor e impedir su deterioro.
La figura Nº3 muestra un circuito propuesto para este acondicionador.
Acondicionador de señales para termorresistencias:
En éste se distinguen dos transistores, T1 y T2, que forman un par de generadores de corriente constante, dos
amplificadores operacionales y la termorresistencia. Los dos generadores se usan para producir una caída de
tensión en la termorresistencia y de esta forma permitir que el sistema no presente errores debidos a las
caídas de tensión en el trayecto de la señal de corriente entre los generadores y el sensor, que puede estar muy
lejos del acondicionador de señales.
Los amplificadores operacionales desempeñan la función de amplificar la tensión de los extremos de la
termorresistencia, haciendo que a un campo de temperaturas de la termorresistencia de 0º hasta 250ºC
corresponda un margen de tensión.
A la señal de entrada del segundo amplificador operacional se le agrega otra señal continua cuya amplitud
permite a la misma igualar la tensión de salida del amplificador IC1 cuando la temperatura de la
termorresistencia es de 0ºC. A dicha temperatura la resistencia de los extremos del sensor vale 100 [], razón
por la cual habrá que tener que para 0 ºC una caída de tensión diferente de cero. Este acondicionador se puede
apreciar en la figura Nº4.
Acondicionador de señales para termopares o termocuplas:
Cuando se proyecta un acondicionador de señales para termopar se presentan dos tipos de problemas con
relación a las tensiones de interés, que son muy bajas, y a la compensación de la unión fría. A temperatura
ambiente la f.e.m. termoeléctrica es del orden del mV, por esto hay que tomar muchas precauciones para
impedir que las perturbaciones (ruido) falseen las mediciones.
Analizando el esquema del circuito de este acondicionador, el amplificador IC1, en cuya entrada se tiene la
tensión de salida del termopar, debe tener bajo desplazamiento térmico y bajo “offset” y una elevada
amplificación. Para un mejor funcionamiento se agrega un condensador C1, cuya función es eliminar los
problemas de ruido mediante filtraje.
Para la compensación de la unión fría realizada por IC2, se usa un elemento termosensible, que en este caso es
un diodo de silicio D1, cuya tensión es amplificada por IC2. Luego las tensiones que vienen de los dos
bloques anteriores llegan a la entrada de un bloque constituido por un amplificador-sumador (IC3).
Se debe diseñar de tal manera que un campo de temperaturas de 0 a 250ºC corresponda a un margen de
tensiones de 0 hasta 8 V.
Este circuito se muestra en la figura Nº5.
+12 V
R1
R7
R2
RV1
C1
RV2
Z1
TL430C
R4
R8
R9
(1)
RV3
R6
SST
PTC
1 -
(2)
R5
7
IC2
747
IC1
747
6
10
(4)
12
OUT
2 +
(3)
+
R10
Fig. Nº3: Acondicionador de señales para transductor de temperatura de semiconductor.
+Vcc
RV1
R1
R2
R11
RV2
R4
C1
C2
T2
T1
R3
RV3
R7
R10
(3)
R5
7
(4)
R6
6 +
I1
(2)
R12
IC1
747
(1)
+Vcc
R9
10
1
-
(5)
IC2
747
2
R8
R13
RTD
Fig. Nº4: Acondicionador de señal para termorresistencias.
+
12
(6)
C1
R1
3
(1)
6
IC1
Fe -
R10
-12 V
2
TERMOCUPLA
RV1
1
+
CONS.
(4)
8
R8
R14
-12 V
RV4
(2)
R13
RV3
D1
R9
R4
(3)
C2
C3
R2
R7
-12 V
7
R15
-
+12 V
R11
10
IC2
1
-
(5)
IC3
+
2
+
R6
RV2
12
(6)
OUT
R3
R12
Figura Nº5: Circuito acondicionador de señal para termocupla.
Acondicionador de señal para la dínamo tacométrica:
Consiste en un sistema por divisor, gracias al cual, la tensión que sale del detector puede ser manipulada por
los circuitos integrados lineales. Los amplificadores permiten aumentar la señal, y debe hacerse una
calibración de manera de obtener la proporcionalidad buscada.
El circuito para este acondicionador es el que a continuación se muestra:
+12 V
2
(5)
7
IC1
741
0 - +24 VDC
(2)
(1)
(4)
(3)
R7
R4
4
-12 V
R9
+12 V
R6
D.T.
2
RV1
R1
R2
-
R3
7
6
IC2
741
R10
R5
(6)
(7)
SALIDA
PROPORCIONAL
3
R8
M
6
3
+
C1
4
(8)
SALIDA
STANDARD
-12 V
Figura Nº6: Acondicionador de señal para dínamo tacométrica.
Acondicionador de señal para el transductor de aceleración:
Este acondicionador debe cumplir con las siguientes funciones:
- transformar la elevada impedancia de salida del acelerómetro en otra de valor menor
- amplificar la señal de salida del acelerómetro cuando los instrumentos que le siguen no tienen una
sensibilidad suficientemente alta.
Además debe permitir la calibración para que a un determinado rango de aceleración, le corresponda un rango
específico (según condiciones de diseño) de tensiones en la salida del circuito.
Básicamente este acondicionador cuenta con un amplificador operacional que permite amplificar la señal que
sale del acelerómetro, y que además actúa como filtro eliminando las señales provenientes de las vibraciones
de alta frecuencia. También consta de otros amplificadores que se muestran en la figura Nº7.
BASE
PRE.
AMP.
ACELERÓMETRO
+12 V
C1
R1
IC1
741
-12 V
4
7
+12 V
6
R5
R7
3
+
2 -
R6
3
2
7
4
-12 V
-12 V
4
7
+12 V
D3
R9
IC2
741
IC3
741
+
-
6
6
D4
D2
Figura Nº7: Circuito acondicionador para el transductor de aceleración.
R2
3 +
2 -
R3
C2
R4
+12 V
D1
R8
C4
C3
-
3 +
+
2
+
-
-12 V
4
7
+12 V
6
-12 V
4
7
+12 V
IC4
CA3140
IC5
CA3140
3
2
6
Acondicionador de señal para el transductor de iluminación:
Está constituido por un amplificador IC1 conectado como inversor. Además consta de una configuración de
resistencias y potenciómetros que permitan poner a cero el “offset” de IC1 y que permitan polarizar el
fotodiodo o fototransistor, de acuerdo al elemento con el cual se trabaje, o en el caso de la fotorresistencia,
poner a cero la tensión generada por ella en la oscuridad. También se tiene un transistor T que sirve para
amplificar la corriente de salida de IC1.
El amplificador IC1 varía su propia salida hasta que la tensión del emisor del transistor T (punto desde donde
se extrae efectivamente la señal para la realimentación) alcance un nível tal como para volver a llevar el
amplificador mismo a operar en la región de linealidad (es decir, tensión de la entrada inversora igual a la
tensión de la entrada no inversora).
La salida del acondicionador de señal debe calibrarse de modo que a un determinado rango de iluminación
corresponda su determinado rango de tensión de acuerdo a las exigencias impuestas para el diseño.
El circuito propuesto para este acondicionador se muestra en la figura Nº8 para el caso de la fotorresistencia,
figura Nº9 para el fotodiodo y en la figura Nº10 para el fototransistor.
+12 V.
R1
R2
RV1
-12 V.
R3
RV2
R4
2
7
3 +
T
6
IC1
LM741
4
R6
OUT
R5
-12 V.
-5 V.
Figura Nº8: Circuito acondicionador de señal para fotorresistencia.
+12 V.
R1
R2
RV1
-12 V.
R3
RV2
R4
2
7
T
6
IC1
LM741
4
3 +
R6
OUT
R5
-12 V.
-5 V.
Figura Nº9: Circuito acondicionador de señal para fotodiodo.
+12 V.
R1
R2
RV1
-12 V.
R3
RV2
R4
2
7
3 +
T
6
IC1
LM741
4
R6
OUT
R5
-12 V.
-5 V.
Figura Nº10: Circuito acondicionador de señal para fototransistor.
Como la unidad que contiene a la lámpara necesita una alimentación de 24 [V], se deberá diseñar un circuito
amplificador de potencia. Un circuito propuesto es el que se muestra a continuación:
+Vcc
R6
R9
T2
R4
R2
R1
2
R7
-
IN
IC1
LM741
3
6
R3
2
IC2
LM741
+
3
6
R5
T1
LX1
24 V
C2
+
D
C1
R8
Figura Nº11: Amplificador de potencia para la unidad de iluminación.
Acondicionador de señal para el transductor de nivel:
La señal suministrada por el transductor debe aplicarse a un circuito acondicionador para adaptar los niveles.
La lectura de los niveles del transductor se realiza mediante un amplificador diferencial formado por IC1.
Además consta de un amplificador (IC2) que permite generar una tensión de “offset” a la salida del primer
amplificador de modo que la tensión presente a la salida de IC2 sea nula cuando el nivel de agua de la
columna corresponda al valor cero de la escala de medidas. Además sirve para ajustar el coeficiente de
proporcionalidad entre el nivel y la tensión de salida del circuito, de manera de lograr la relación que se pida
entre los márgenes de niveles y las tensiones de salida.
+VREF
(1)
C1
+12 V
(2)
RV3
R4
R1
R9
+12 V
-12 V
2 -
4
IC1
OP07
(3)
R2
3
+
R5
7
+12 V
R6
6
8
2 7
(5)
IC2
uA741
RV1
1
RV2
R7
3 +
-12 V
R3
(4)
4
+12 V
R8
Figura Nº12: Acondicionador de señal para el transductor de nivel.
(6)