Transductores

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Transductores

  1. 1. REPUBLICA  BOLIVARIANA  DE  VENEZUELA   UNIVERSIDAD  FERMIN  TORO   FACULDAD  DE  INGENIERIA   CATEDRA  DE  MEDICIONES  ELECTRICAS                 TRANSDUCTORES               INTEGRANTES   Bryan  Hinojosa   19170086   ELIGHEOR  COHIL   19170084    
  2. 2.  El término transductor ha sido aplicado a dispositivos, o combinaciones de dispositivos, que convierten señales, o energía, de una forma física a otra forma. Más específicamente, en sistemas de medición, un transductor se define como un dispositivo que provee una salida usable, en respuesta a una medida especificada.  La medida es "una cantidad física, propiedad o condición, la cual es medida" y la salida es una "cantidad eléctrica, producida por un transductor, que es función de la medida". Elementos  Si bien los transductores actuales suelen estar integrados en una sola pieza, se pueden distinguir, en general, tres etapas en la generación de la salida eléctrica en respuesta a la medida física. 1. 2.     3. Sensor: es un elemento que responde directamente a la medida. Transductor propiamente dicho: es el elemento en el que se transduce la señal física en una salida eléctrica. Circuito de acondicionamiento y procesamiento de la señal: es un circuito, eléctrico o electrónico, que le da  formato a la señal entregada por el transductor. Su principal función es linearizar la salida y estandarizarla  dentro de los límites de la aplicación.    El circuito acondicionador puede estar colocado dentro de la empaquetadura del transductor, o totalmente separado. Si el transductor consiste en varios módulos, las interconexiones provistas por el usuario son parte del sistema de medida y el correcto cableado, aislado y puesta a tierra, son esenciales para conseguir la condiciones de trabajo especificada.    En general, se suele tratar al sensor y al transductor como un mismo componente,.pero el circuito de acondicionamiento de la señal presenta algunas particularidades realmente importantes, por lo que se abarcará ahora este punto.   3.2.1 Circuito de acondicionamiento y procesamiento de la señal    Las señales que tienen que ser traducidas del mundo físico al mundo eléctrico, pueden ser de las formas más extrañas, consecuencia de que la señal eléctrica obtenida es función de la variación de un proceso físico, químico, atmosférico, etc, que se está midiendo.    Se hace entonces necesario imponerle a la señal eléctrica, antes de insertarla en el circuito de medida (ó en un SAD), una serie de condiciones que hagan favorable su manejo dentro de un circuito eléctrico. El circuito acondicionador de la señal puede ser eléctrico o electrónico, y provee una variedad de funciones, como por ejemplo:  Generación de la excitación o voltaje y frecuencia, de referencia.  Generación de la señal de salida, típicamente por un circuito puente o un circuito potenciométrico.  Acondicionamiento de la señal, esto es, amplificación de las salidas de bajo nivel y adaptación de los  niveles de salida de tensión (o corriente) a un rango standard.  Supresión de ruido, filtrado y aislación respecto a tierra.  Conversión de señales, como AC/DC o A/D (cuando incluye el conversor A/D).  Procesamiento de señales, como linealización de salidas intrínsecamente no lineales.   3.2.2 Señales de Salida    El nivel y rango de la señal de salida debe estar comprendido dentro de límites muy precisos para asegurar la compatibilidad con el resto del sistema. Estos rangos se determinan, generalmente, por el tipo de fenómeno que se está midiendo, y por el tipo de transductor que se utiliza. Las salidas utilizadas son: de corriente: de tensión: 0...5, 0...10, 0...20 y 4...20 mA  0...+5, 0...+10, -5...+5 y -10...+10 V TRANSDUCTORES  
  3. 3.              La salida de 4 .. 20 mA es particularmente usada, considerándose como la salida universal. Su importancia es tal que a aquellos transductores que tengan este rango de salida se los distingue como transmisores.   3.2.3 Detección de variación de señales pequeñas    Como las variaciones que se deben medir suelen ser muy pequeñas, para detectarlas eléctricamente es usual utilizar conexiones en forma de potenciómetros o de puente de Wheatstone. Éstos circuitos pueden ser de deflexión o nulos:  De deflexión: la salida del puente o del potenciómetro pasa directamente al circuito acondicionador.  Nulos: la salida del puente o potenciómetro es empleada para ajustar otro elemento del circuito de manera  que anule al puente, y recién luego pasa al circuito acondicionador. 3.3 Características de funcionamiento - linealidad de las señales de salida    Cada tipo de transductor tiene una relación ideal medida-salida, descripta por una ecuación teórica o por una representación numérica o gráfica. Esta característica ideal de transferencia puede ser en muchos casos lineal, en cuyo caso la pendiente de la recta es la relación de transferencia o función transferencia de ese transductor.    Si bien resulta prácticamente imposible construir transductores cuya relación medida-salida sea perfectamente lineal, en la práctica se manejan transductores cuya alinealidad es menor al 0,25%, pudiéndose considerar en ese caso la respuesta del transductor como lineal.    En el caso de una característica no lineal, la razón de transferencia es usada algunas veces para describir el transductor en un pequeño rango de entradas. Es decir, se limita a usar el transductor solo en aquellas zona de su rango de funcionamiento donde la respuesta sea lineal.    Cuando la alinealidad del transductor hace imposible su utilización en tales condiciones, entonces se debe linealizar dicha señal. La alinealidad de un transductor puede provenir tanto del elemento sensor, como también de la configuración utilizada para excitarlo o extraer su señal.    La linealización de las señales se puede hacer, básicamente, de dos maneras:  Uso de procesamiento en computadora (Linealización por Software).  Uso de redes o circuitos (Linealización por Hardware).   3.3.1 Linealización por Software    La señal recogida por el sensor es digitalizada y leída por una PC, o por un instrumento portátil (que contiene un microprocesador o un microcontrolador). Para corregir la alinealidad por software es preciso que la función transferencia (FT) esté perfectamente definida. Cuando esta FT está normalizada, y se presenta en forma de tablas, la PC puede consultar las tablas (almacenadas en su memoria) y así realizar la linealización. Así, la operación ejecutada es una aproximación de los valores medidos a la curva teórica de la FT.  La linealización por software tiene algunas limitaciones importantes a saber:  La FT debe definirse con un orden de magnitud superior a la precisión deseada.  Para digitalizar es necesario amplificar la señal del sensor hasta, al menos, 100 mV a fondo de escala.  Es necesaria una gran cantidad de circuitos de montaje complejo, sólo justificado si los comparten un cierto  número de canales o si se necesita una precisión muy rigurosa.   3.3.2 Linealización por Hardware    Se utiliza cuando los sensores presentan una dispersión en sus características que harían necesario reprogamar la memoria de la PC que contiene la tabla de conversión entre la característica lineal y la real o entrar nuevos parámetros para el algoritmo linealizador.    Se trata de linealizar la respuesta del sensor con una red pasiva, al menos en un rango limitado. Existen diversos métodos, pero son complicados y engorrosos.
  4. 4.        También se puede realizar algún tipo de procesamiento analógico a la señal de salida del transductor. Existen circuitos integrados (utilizando AO) que cumplen con una variedad de funciones simples tales como logaritmo, multiplicación o cociente y es posible combinarlos de manera de obtener funciones más complejas.  También se puede utilizar una aproximación lineal por tramos con tantas secciones (cada una con su AO y red de resistores de precisión) como precisión deseemos. Pero los circuitos de complican rápidamente y además son muy sensibles a la calidad de los componentes. 3.4 Indicaciones para seleccionar y emplear los transductores    Cuando hay que elegir un transductor en especial, se deben considerar los siguientes puntos para determinar su capacidad para una medición en particular:  Rango: el rango del transductor debe ser lo suficientemente grande tal que abarque todas las magnitudes  esperadas de la cantidad a ser medida.  Sensibilidad: para obtener datos significativos, el transductor debe producir una señal de salida suficiente  por unidad de entrada de medida.  Efectos de carga: como los transductores siempre consumirán algo de energía del efecto físico que se está  probando, debe determinarse si se puede despreciar esta absorción o si se pueden aplicar factores de  corrección para compensar las lecturas por pérdidas.  Respuesta a la frecuencia: el transductor debe ser capaz de responder a la velocidad máxima de cambio  en el efecto que se está observando.  Formato de salida eléctrica: la forma eléctrica de la salida del transductor debe tener un valor que lo haga  compatible con el resto del sistema de medición.  Impedancia de salida: la impedancia de salida del transductor debe tener un valor que lo haga compatible  con las siguientes etapas eléctricas del sistema.  Requerimiento de potencia: los transductores pasivos necesitan de exitación externa. Entonces, si se  deben emplear transductores pasivos, es necesario asegurar que haya disponibles fuentes de poder  eléctricas adecuadas para operarlos.  Medio físico: el transductor seleccionado debe poder resistir las condiciones ambientales a las que estará  sujeto mientras se efectúe la prueba. Parámetros tales como temperatura, humedad y substancias  químicas corrosivas podrían dañar algunos transductores y a otros no.  Errores: los errores inherentes a la operación del mismo transductor o aquellos errores originados por las  condiciones del ambiente en la medición, deben ser lo suficientemente pequeños o controlables para que  permitan tomar datos significativos.    Una vez que el transductor está elegido e instalado, se deben seguir las siguientes recomendaciones para aumentar la exactitud de las mediciones:  Calibración del transductor: se debe calibrar la salida del transductor tomando algún estandar conocido al  emplearlo en las condiciones reales de la prueba. Esta calibración se debe llevar a cabo con regularidad a  medida que se haga la medición.  Se deben monitorear en forma continua los cambios en las condiciones ambientales del transductor. Si se  sigue este procedimiento, los datos medidos podrán corregirse posteriormente para tomar en cuenta  cualquier cambio en las condiciones ambientales.  Controlando artificialmente el ambiente de la medición, se pueden reducir errores posibles del transductor.  Un control artificial del ambiente incluye, por ejemplo, el encerramiento del transductor en una caja de  temperatura controlada y el aislamiento del dispositivo con respecto a golpes y vibraciones externas.
  5. 5. 1.1 TRANSDUCTORES/SENSORES       1.1. SISTEMAS DE MEDIDA    Lafunciónesencialdeunsistemademedidaeslaasignaciónobjetiva(independientedel observador)yempírica(basadaenlaexperimentación)deunnúmeroaunapropiedadocualidad de un objeto o evento. Los objetivos de la medida pueden ser:    a)Vigilanciaoseguimientodeprocesos.Esteseríaelcasodelamedidadelatemperatura  ambiente y de los contadores de agua y gas.    b) Control de un proceso. Como ejemplo se puede considerar un termostato (cuando  alcanza una determinada temperatura conmuta ypuede dar lugar al efecto contrario que  originó su conmutación) o el control del nivel de un deposito.    c) Ingeniería experimental. Así ocurriría cuando se miden las fuerzas que actúan sobre  un conductor (simulado) de un vehículo cuando este choca contra un objeto. Los  resultados obtenidos de estaformatienensuprincipal campode aplicación en el C.A.D.  (Computer Aided Design, Diseño Asistido por Ordenador).    En la figura 1.1 se representa la estructura general de un sistema electrónico de medida y control, es decir, que abarcaría los tres objetivos citados anteriormente. De todos los bloques queformandichosistema,sepuededecirquetresdeellossonbásicosyseencuentranpresentes en la práctica totalidad de los sistemas de medida. Estos serían:      - SENSOR / TRANSDUCTOR    - ACONDICIONADOR DE SEÑAL    - PRESENTACIÓN (VISUALIZACIÓN Y REGISTRO)  Fig. 1.1 Estructura general de un sistema electrónico de medida y control.      
  6. 6. Pasivo Variación de capacidad                  Especiales                Fuerza electromotriz    Desplazamiento, sonido      Posición, ángulo      Nivel líquidos, espesor      Flujo, campo magnético      Luz, radiación      Contador de partículas   Temperatura, flujo térmico    Velocidad, vibración    Intensidad luminosa Activo Capacitativo (distancia)    Capacitativo(dieléctrico)    Capacidad (variación)    Célula Hall    Célula fotoemisiva    Cámara de ionización    Termopar    Piezoeléctrico    Célula fotovoltaica Tipo Magnitud eléctrica          Variación de resistencia                Variación de inductancia Tipo de transductor    Potenciómetro    Galga extensiométrica    Termistor    VRT    LVDT    Magnetostricción Magnitud que mide    Desplazamiento, presión    Fuerza, par, deformación    Temperatura    Presión, desplazamiento    Presión, desplazamiento    Fuerza, presión, sonido CLASIFICACION DE LOS TRANSDUCTORES  
  7. 7. 1.2 Veamos cuales son las características fundamentales de estos elementos.   1.1.1.- TRANSDUCTOR Y SENSOR    Cuandosehacereferenciaaestebinomio,generalmenteselenombrasimplementecomo transductor, olvidándose que, si bien van formando un todo en la mayoría de las aplicaciones, se trata de dos elementos entre los cuales se pueden hacer diferencias.    Se denomina transductor, en general, a todo dispositivo que convierte una señal de una forma física en otra señal, que se corresponde con la primera, pero de otra forma física distinta. El fin del transductor es, por tanto, acoplar la magnitud a medir al sistema de medida. Como el tratamientoquesevaahacerdelaseñaldesalidadeltransductoresnormalmentellevadoacabo por equipos o circuitos electrónicos, de todos los transductores que existen (atendiendo a seis tiposdeseñales:mecánicas,térmicas,magnéticas,eléctricas,ópticasymolecularesoquímicas), los considerados transductores por antonomasia son aquellos que ofrecen una señal de salida eléctrica: tensión, corriente, etc.    Enlafigura1.2.podemosveresquematizadalamisióndeltransductor.Larelaciónentre la salida eléctrica ofrecida por el transductor y la magnitud de la señal se conoce como función de transferencia, y por lo general conviene que se aproxime lo máximo posible a una función lineal.              Fig. 1.2. Conversión de señal por transductor.    Aunque en la asignatura se hará referencia indistintamente a los términos transductor y sensor, no queremos finalizar el apartado sin dejar clara la diferencia entre dichos términos, habitualmenteutilizadoscomoequivalentes,aunqueenrigornolosean.Elsensoreselelemento directamenteencontactoconlamagnitudamedirynotieneporquéproporcionarningunasalida eléctrica. Su finalidad es captar esta magnitud para posteriormente transformarla yobtener una salidaeléctrica.Unejemploquenospuedeayudaradiferenciarlostérminossensorytransductor es el mostrado en la figura 1.3. y que hace referencia a un micrófono magnético.  Fig. 1.3. Micrófono magnético. Distinción entre sensor y transductor.        
  8. 8. 1.3  El sensor es la membrana elástica que vibra con la presión de las ondas sonoras que recibe, realizando una conversión de la variable física, presión, en otra variable física: desplazamiento. Este desplazamiento es recogido por una bobina solidaria con la membrana, la cualalmoverseenelsenodeuncampomagnético(generadoporlosimanes)produceunaúltima transformación: desplazamiento a tensión (magnitud eléctrica).    Entonces, como transductor se conoce a todo el dispositivo (micrófono) yel sensor será la membrana, que es parte del transductor.    La clasificación de los transductores suele hacerse basándose en diferentes criterios y/o señales que manejan, tanto a la entrada como a la salida. Así podríamos citar los siguientes grupos clasificatorios:    - Según la magnitud que miden tendremos transductores de: temperatura, luminosidad, fuerza, desplazamiento, humedad, etc.    - Según el principio físico-eléctrico en que se basan, los transductores serían del tipo resistivo, inductivo, capacitivo, semiconductor, piezoeléctrico, etc.    - Según el tipo de la señal eléctrica presente en sus terminales de salida: analógico, digital, discreto.    - Según el campo de aplicación tendríamos transductores específicos para robótica, medicina, industria (en sus diferentes vertientes), etc.       1.1.2.- ACONDICIONADOR DE SEÑAL    Losacondicionadoresdeseñal,adaptadoresoamplificadores,ensentidoamplio,sonlos elementos del sistema de medida que ofrecen, a partir de la señal eléctrica de salida de un transductor, una señal apta para ser presentada o registrada o que simplemente permita un procesadoposteriormedianteelequipoelectrónicoadecuado.Losacondicionadoresdeseñalson normalmente circuitos electrónicos que ofrecen, entre otras opciones, las siguientes: amplificación, filtrado, adaptación de impedancia, modulación/demodulación, codificación/decodificación, conversión A/D y D/A, etc.       El acondicionamiento de la señal, según la aplicación, puede integrar varios de los circuitosanterioresparaconseguirsusobjetivos.Estoscircuitossuelenveniryaenunúnicochip, dada la estandarización de las salidas de los transductores y de las entradas a los equipos de procesado.     1.1.3.- PRESENTACIÓN (VISUALIZACIÓN Y REGISTRO)    Los sistemas de visualización y registro se pueden clasificar en analógicos y digitales, teniendo como misión en amboscasospresentarlamagnitudmedida de tal forma que pueda ser interpretada correctamente por el supervisor del sistema de control electrónico.
  9. 9. 1.4  Entrelossistemasdepresentaciónanalógicostenemos:medidoresdeaguja,registradores X-Y y X-t, etc.    Loselementosdepresentacióndigitaltípicosson:Displays(alfanuméricosaLED,cristal líquido o fluorescentes), pantallas CRT, indicadores luminosos simples, impresoras, etc.    Para el uso de elementos de presentación digital, es necesario en muchas ocasiones un nuevoacondicionamientodelaseñalquellega,nocomportandoestehechomayorinconveniente hoy en día.       1.1.4.- SISTEMAS DE MEDIDA DE DATOS MÚLTIPLES    Generalmente,unsistemaelectrónicodecontrolymedidasemontaconelfindealcanzar la máxima versatilidad y por tanto, para aprovechar al máximo sus posibilidades. Hoy en día dada la posibilidad de trabajar a gran velocidad con la mayoría de los equipos electrónicos de proceso, el dedicar un sistema de control a evaluar ypresentar una única magnitud, es una clara infrautilización de dicho equipo. Por ello es común encontrarnos con sistemas de medida para múltiples datos, procedentes cada uno de ellos de un transductor o sensor. Una estructura típica para este tipo de sistemas es la mostrada en la figura 1.4. En ella se puede observar como, previamentealacondicionamientogeneraldelasseñales,sehaceunaadaptaciónencadaunade ellasconelfindenormalizarlasalaentradadelacondicionadorcomún.Elmultiplexorsueleser controlado automáticamente por la unidad central de proceso mediante los códigos digitales correspondientes, de forma que vaya introduciendo secuencialmente el valor de las diferentes magnitudeseléctricas(procedentesdesensores)alaunidaddeprocesamientoydepresentación (resto del sistema de medida y control). Fig. 1.4. Entrada de un sistema de medida de datos múltiples.
  10. 10. 1.5 1.1.5.- SISTEMAS DE TELEMEDIDA    Enlaestructurageneralquesemostróenlafigura1.1.,seincluíaunbloquedenominado TRANSMISOR DE DATOS, cuya misión es la de enviar la señal eléctrica correspondiente a la magnitud medida hasta donde se encuentre la unidad central de proceso, el sistema de presentación, etc. Es decir, se da por hecho la separación física (suficientemente grande) entre el punto de medida de las magnitudes y el de presentación y procesamiento.    Eltransmisordedatospodráprepararlaseñalquerecibeparaserenviadavíacableovía radio(ondashertzianas),ylaelecciónentreambasformasdependerádealgunosfactores,como:      - Distancia entre emisor y receptor    - Volumen de datos a transmitir (medida de datos múltiples)    - Interferencias, espacio físico para cables, etc.    - Relación S/N necesaria    - Precio, etc.       1.2.- TRANSDUCTORES PIEZOELÉCTRICOS    La palabra "piezo" procede del griego y significa "comprimir", por lo que la expresión efecto piezoeléctrico indica la producción de electricidad en una materia al aplicar una presión sobre ella. Este efecto solo se presenta en materiales eléctricamente aislantes, y conduce a la aparicióndecargaseléctricassobrelasuperficiedeesosmaterialesdeformadosmecánicamente. También se da el efecto inverso: cuando se aplica un campo eléctrico a un material piezoeléctrico, éste se deforma mecánicamente. Por ello, todos los materiales piezoeléctricos pueden emplearse para cualquiera de los dos propósitos.    El efecto piezoeléctrico solo se presenta en materiales cuyos enlaces atómicos sean iónicos, es decir, en los que las moléculas estén dispuestas en pares positivo-negativo llamados dipolos, tal como podemos ver en la figura 1.5.  Fig. 1.5.- Material piezoeléctrico en estado de reposo y con una presión aplicada            
  11. 11. 1.6  Cuando se aplica una presión al material, estos dipolos (moléculas) se deforman y se produce una separación de los pares positivo-negativo, creándose así un campo eléctrico. Por tanto, se hace necesario que en reposo, el material tenga los dipolos orientados. Haymateriales que,debidoasunaturaleza,lostienenorientadosdeporsí(cuarzo)yotros,alosqueesnecesario someterlos a un proceso de orientación permanente (cerámicas).    Como vemos, la producción del efecto piezoeléctrico depende de la disposición de los ionespositivosynegativosenelmaterial.Estorestringedichoefectoalosmaterialescristalinos anisótropos,esdecir,quesuspropiedadesfísicasnosonigualesentodoslossentidospuestoque, en un cristal con simetría perfecta, ninguna combinación de esfuerzos uniformes producirá la separacióndecargas.Enlafigura1.6.semuestragráficamenteelporquédeestosrequisitos.Así, en el caso a) haysimetría central, yal aplicar un esfuerzo T no aparecerá polarización eléctrica. En el caso b), en cambio, aparece una polarización paralela al esfuerzo, con el polo negativo a la izquierda y el positivo a la derecha. En el caso c) la polarización aparece en dirección perpendicular a este, con el polo positivo en la parte inferior y el negativo en la superior. Fig. 1.6.- Efectos de un esfuerzo mecánico en diferentes moléculas según su simetría. a) Si hay simetría central no se produce polarización. b) Polarización paralela al esfuerzo (T). c) Polarización perpendicular al esfuerzo (T).          Talcomosedijoantes,haymaterialesqueensuestadonormalpuedenseraprovechados paraproducirelefectopiezoeléctrico,peroesnecesarioparaelloqueseancortadosalolargode ejesparticularesdelcristalparaconseguirlosefectosmáximosylograrunaelevadaanisotropía. Sinembargoactualmenteseutilizanunosmaterialesartificialesqueseconocenglobalmentecon el nombre de cerámicas. Un material cerámico consiste en un conglomerado de cristales muy pequeños que tienen sus ejes eléctricos orientados según direcciones aleatorias. Portanto,antes deusarlocomoelementopiezoeléctrico,sehacenecesariounaorientaciónuniformedetodoslos ejes de los cristales que lo componen. Esta polarización se consigue introduciendo el material cerámico entre dos polos eléctricos y aplicando una tensión elevada (en torno a los 10 KV), lo
  12. 12. 1.7 que obliga a todas las moléculas (dipolos) a orientarse en la misma dirección. El efecto provocadopermanece,aúncuandodesaparezcaelvoltajeaplicadoyquedaconfeccionadodeesta formaunmaterialpiezoeléctrico.Cuandoestosmaterialesseutilicenensentidoinverso,esdecir, se les aplique un voltaje entre dos de sus caras para provocar una deformación, dicho voltaje deberá estar siempre bastante por debajo del que provocó su polarización, de lo contrario se produciría una pérdida de las propiedades piezoeléctricas del material.    Parámetros que definen a un material piezoeléctrico    Esencialmentesondos:laconstantepiezoeléctricaoinerciamolecular(d)ylaconstante de acoplamiento electromecánico (K).    La primera nos dice el cambio de polarización o de orientación dipolar que se produce al aplicar una tensión mecánica determinada (presión). Esta constante (d), se obtiene también calculando la deformación producida al aplicarle un campo eléctrico determinado.    La segunda (K), nos indica la fracción de energía mecánica que puede convertirse en energía eléctrica, o al contrario.    Materiales piezoeléctricos más utilizados comercialmente    Aunque son bastantes los materiales que ofrecen propiedades piezoeléctricas, cuatro de ellos cubren la gran mayoría de las necesidades que se plantean en el ámbito comercial:      - Tartrato de Sodio y Potasio (Sal de Rochelle).    - Fosfato dihidrógeno de Amonio (ADP).    - Titanato-Circonato de Plomo (PZT). Cerámica.    - Cuarzo.    Entre los usos más notables que se dan a estos elementos en el mundo de los transductores, podemos encontrarnos aplicaciones en diferentes campos:    Medicina:    - Micrófonos piezoeléctricos para detectar sonidos del corazón.    - Medidores de presión arterial, gastrointestinal, intrauterina e intracraneal.    Consumo doméstico:    - Fonocaptores para discos de vinilo.    - Equipos informáticos sincronizados con reloj: ordenadores, impresoras, etc.    Industriales:    - Telefonía: Micrófonos de cerámica (electreto)    -Ultrasonidos:Generaciónyrecepcióndeondassonorasenlíquidos;soldadores    ultrasónicos para plásticos y metales.    - Fuentes de alta tensión: encendido de motores de gasolina.    - Retardo de sonidos.
  13. 13. 1.8  La aplicación de un tipo de cristal (o cerámica) piezoeléctrica en un transductor dependerátantodelcampoenelquesevayaausarcomodelaspropiasprestacionesdelmaterial. Así, tendremos que valorar prestaciones tales como:    - Modos de compresión o estiramiento.  - Margen dinámico de entrada (para la magnitud a medir).  - Margen dinámico de salida (valor de la transducción).  - Sensibilidad de entrada.  - Resistencia a golpes, vibraciones, temperatura y humedad.    Además habrá que tener en cuenta si el material piezoeléctrico usado como sensor es estándar (de amplia difusión y facilidad de adquisición) o propietario (específico de un fabricante); también tendremos que analizar el tipo de circuito que se acoplará a la salida del transductor y que hará de interface con el resto del sistema de medida y control.       1.2.1.- APLICACIONES DE LOS MATERIALES PIEZOELÉCTRICOS    Lafigura1.7ilustraelusodeelementospiezoeléctricosenunafuentedealtatensiónpara encendidodemotoresdegasolina.Unalevamovidaporelmotoractúasobreunapalanca,lacual aplica una fuerza mayor o menor sobre el eje eléctrico de dos cilindros de PZT (cerámica). Los cilindros llevan acoplados unos electrodos en sus bases y son apilados de tal forma que uno de los electrodos puede ser considerado como potencial de referencia, o sea, masa. Un dispositivo de este tipo ha sido utilizado satisfactoriamente en máquinas con motores de gasolina de poca potencia: motosierras, cortadoras de césped, modelismo, etc., desarrollando potenciales de encendido del orden de 20.000 v.    Fig. 1.7.- Generador de alto voltaje para encendido de motores de gasolina.        Eltransductordesonidosumergiblemostradoenlafigura1.8.,ilustraunaaplicacióndel cristal ADP en forma de placas. Un grupo de placas dispuestas transversalmente es apilado, intercalándose entre ellas láminas de electrodos conectados en paralelo. Los extremos de las placas de la pila de cristal actúan solidariamente a modo de pistón (émbolo) y su acción es
  14. 14. 1.9 transmitida al agua mediante el encapsulado de caucho y el aceite que rodea dicha pila. Puesto que los filos laterales de las placas también son sensibles a la presión acústica yen esa zona no interesa,soncubiertosconmaterialacústicamenteaislantetalcomocélulasdeselladodecaucho y espuma (foam) o también Corprene, consiguiendo el doble efecto de, por un lado, cancelar el efectopiezoeléctrico(presiónavoltaje)yporelotro,cancelaríalasalidaacústicaporloslaterales abiertos (voltaje a deformación). Aunque este transductor podría usarse como micrófono y altavoz "acuático", es en este último caso cuando mejor respuesta de transducción da.    Fig. 1.8.-Transductor de sonido (altavoz) sumergible.    La figura 1.9. nos muestra un medidor de precisión de sonido hidrofónico o micrófono acuático que emplea, en este caso, un apilamiento de delgadas placas de cristal piezoeléctrico conectadas en paralelo. Puesto que en este caso interesa detectar las variaciones de presión en el entorno del transductor, no hace falta rodear los laterales del material piezoeléctrico con ningún elemento aislante, tal como se hizo con el transductor de sonido anterior.    Fig. 1.9.- Micrófono acuático.    En la figura 1.10. se nos muestra un modelo elemental de acelerómetro piezoeléctrico preparado para medir aceleraciones de tipo vibratorio que abarcan un amplio rango de frecuencias. Está formado por dos discos cerámicos intercalados entre una masa y una base (a
  15. 15. 1.10 modo de soporte). La unión de estos elementos se puede hacer mediante adhesivo o soldadura. La aceleración vibratoria aplicada a la base en la dirección indicada produce la correspondiente fuerza de compresión a través de los perfiles de los discos, debido a la reacción de inercia de la masa. De este modo, el voltaje correspondiente a la aceleración aplicada es generado por los discos cerámicos.    Fig. 1.10.- Acelerómetro de compresión.    La figura 1.11. ilustra el uso de elementos piezoeléctricos de tipo cerámico en una aplicación de limpieza ultrasónica. Dos discos cerámicos están soldados entre un soporte de metal ligero y una masa de reacción. El soporte es el elemento atacado para la limpieza del tanque.Elensamblajeasícompuestotieneunaresonanciamecánicadeterminadaporlosefectos combinados de la masa y la rigidez del metal y las partes cerámicas. Cuando a los discos cerámicosselesaplicaunvoltajealterno(ac)alafrecuenciaderesonanciamecánica,elconjunto vibra a gran intensidad, induciendo una violenta agitación al líquido contenido en el tanque.    Fig. 1.11.- Transductor para limpieza ultrasónica.    Puesto que los materiales piezoeléctricos tipo cerámico pueden ser fabricados en gran variedad de tamaños y formas, permiten, por si mismos, diseños para aplicaciones particulares que podrían tener gran dificultad, si no imposibles, si lo hiciésemos con cristales normales. La figura 1.12. muestra un típico transductor sumergible que utiliza un cilindro cerámico hueco, polarizadoatravésdelasparedes.Enestaaplicaciónlosextremosdelcilindrosoncerrados,para proteger la superficie interna del medio acústico. Puesto que la superficie exterior del cilindro expuestaalaguaesmuchomayorquelaseccióntransversaldelmaterialcerámico,laimpedancia mecánica del elemento es mucho menor que la de un elemento sólido de las mismas dimensiones.Estopermiteunamejoradelacoplamientoacústicoentreelelementopiezoeléctrico y el medio a través del cual opera.
  16. 16. 1.11    Fig. 1.12.- Transductor de sonido acuático del tipo cilíndrico.    En la figura 1.13. se muestra el uso de una cerámica piezoeléctrica adaptada en forma cilíndrica. Antes de ensamblarlo en el transductor, el cilindro cerámico fue polarizado en dirección longitudinal empleando la aplicación temporal de un voltaje dc. El elemento así polarizadoesadheridofuertementealsoportecentral,alcual rodea.Acontinuación,unapesada masa cilíndrica se añade, rodeándolo todo. La aceleración vibratoria aplicada a la base en la dirección indicada, produce la correspondiente presión transversal en las paredes del cilindro, debido a la reacción inercial de la masa. De este modo, un voltaje directamente proporcional a la aceleración aplicada se genera en el cilindro, el cual es llevado al exterior mediante los electrodos correspondientes.    Fig. 1.13.- Acelerómetro transversal.       1.3.- SENSORES DE TEMPERATURA    De todos los conceptos que se pueden dar para definir la temperatura, a nosotros nos interesa el que profundiza en los aspectos físicos del material sobre el que vamos a medir dicho parámetro. Así definiremos temperatura como:    Unamagnitudfísicaqueexpresaelmayoromenorgradodeagitacióndelasmoléculas de los cuerpos, es decir, evalúa la energía cinética de las mismas.    No debemos confundir la energía calorífica con la temperatura, ya que la primera tiene encuentatambiénlamasadelcuerpo.Porejemplo,laschispasquesedesprendenalefectuaruna soldaduramediantearcovoltaicotienenunaelevadatemperatura,peronosuelenquemarcuando caen sobre el cuerpo humano, debido a su reducida masa, es decir, poseen poca energía calorífica.
  17. 17. 1.12  La medida de la temperatura forma parte, hoy en día, de cualquier proceso industrial y es por ello, por lo que ocupará un lugar importante en cualquier sistema de medida y control electrónico.    Métodos para la medida de la Temperatura    Losdiferentesmétodosparalamedicióndetemperatura,sebasanenlasalteracionesque éstaprovocaendeterminadosmateriales,porloque,endefinitiva,loqueestamosmidiendoson cambios producidos como consecuencia de la temperatura. Así, podemos formar la siguiente lista de métodos para medir temperaturas:    - Variación del volumen o del estado de los cuerpos (termómetros).  - Variación de la resistencia de un conductor (Detectores de temperatura resistivos,  RTD).  - Variación de la resistencia de un semiconductor (termistores NTC y PTC).  - Variación de la tensión en una unión n-p (transductores de unión semiconductora).  - Fuerza electromotriz creadaenlaunióndedos metales (Efecto Seebeck. Termopares).  - Intensidad de radiación emitida por un cuerpo debido a su temperatura (pirómetros).  - Velocidad de sonido en un gas, frecuencia de resonancia de cristal, etc. (termómetros  ultrasónicos, de cristal de cuarzo, etc.).    Tipos de transductores de temperatura    Esta clasificación se puede hacer de dos formas: según la relación física que mantienen con el cuerpo a medir y la familia a la que pertenecen atendiendo al fenómeno apreciado como consecuencia de la variación de temperatura.    En la primera clasificación tendríamos:    - Sin contacto: se realiza a través de instrumentos ópticos enfocados al punto del que se  desea medir su temperatura. Por ejemplo la medición por infrarrojos.    -Concontacto:sedenominan genéricamentecaptadoresdetemperatura.Enestecasoes  necesario situar al transductor junto al cuerpo cuya temperatura se desea medir.    En la segunda clasificación tendríamos en cuenta las diferentes familias en las que se pueden encuadrar atendiendo al fenómeno físico-eléctrico asociado. Además tendríamos en cuenta el tipo de Sensor/Captador utilizado y otra serie de consideraciones.    En la tabla que a continuación se desarrolla aparecen ordenados los transductores de temperaturasegúnesteúltimocriteriodeclasificación.Detodosellos,alolargodelosdiferentes apartados,nosvamosacentrarenelestudiodelosmásutilizadosenlossistemasde adquisición de datos, es decir, en los sistemas electrónicos de medida y control, así como en los más difundidos y disponibles para el gran público.
  18. 18. 1.13    Familia              Eléctricos                        Ópticos             Mecánicos                  Otros                Tipos    Par termoeléctrico   Resistencia metálica          Semiconductor                  Cuarzo        Radiación total      Radiación parcial          Bicromáticos        (de 2 colores)   Dilatación de sólido   Dilatación de fluido            o de gas      Cristales líquidos            De marca        De fibra óptica        Captadores/Sensores                      Termopar   Sonda termométrica (RTD)        Termistor (NTC, PTC)              diodo, transistor,            circuito integrado                  Cristal de cuarzo                    Pirómetro óptico            Espejo de radiación        Termómetro bimetálico    Termómetros de vidrio,            de bulbo y capilar                Cristales líquidos      Pinturas termosensibles                    Fibra óptica 1.3.1.- DETECTORES DE TEMPERATURA RESISTIVOS    Los detectores de temperatura resistivos (RTD), denominados también sondas de resistenciaosondastermométricas,sebasanenlavariaciónderesistenciaqueexperimentanlos metales ante variaciones de temperatura.    La explicación física de este hecho es la siguiente:    Alaumentarlatemperatura,laagitacióntérmicadeloselectrones(vibraciónalrededor de su posición de equilibrio) también lo hace, reduciéndose el espacio físico para el desplazamiento de estos y por tanto su velocidad media. Todo ellosetraduceenunaumento de la resistencia al aumentar la temperatura, de ahí que los RTD tenga un coeficiente de temperatura positivo.    En la figura 1.14. podemos ver el símbolo general empleado para este tipo de sensores y el significado de sus diferentes partes:
  19. 19. 1.14    Fig. 1.14. - Símbolo general de un RTD.    En este tipo de detectores, la resistencia a una determinada temperatura, R(T), viene expresada así:          R(T) R0[1 n 1.nT n]       aunque como la variación de R(T) es bastante lineal en márgenes grandes de temperatura, se suele utilizar la versión aproximada de la expresión anterior:            R(T) R0[1 .T]       donde: .=       R0=               T= Coeficientedetemperaturaresistivodelmaterial,elcualinteresaqueseade gran valorparaaumentarlasensibilidad,yconstanteconlatemperaturaparaaumentar la linealidad. Se mide en (C-1 y se suele dar para 0(C. Resistenciadelmateriala0(CyvienedeterminadaporlasdimensionesdelRTD yla resistividad del material empleado (!). Interesa que la ! del material sea alta ya que implica menos material y por tanto menos tamaño para conseguir una misma Ro. Además disminuye el tiempo de respuesta y la resistencia del RTD serásiempremuchomayorqueloshilosdeconexión,disminuyendolainfluencia en la medición. Temperatura en (C.  En cualquier libro de análisis de materiales (física, química, etc.) podemos encontrar el valor de los parámetros anteriores para los materiales más frecuentemente utilizados en la fabricación de RTD y que son: Plata, Oro, Tungsteno, Cobre, Níquel y Platino.    Eloroylaplataseusanraramentedebidoasubajaresistividadyaltocoste.Eltungsteno tiene elevada resistividad pero es muyfrágil, lo que dificulta su manejo; para altas temperaturas síesbastanteusado.Portodoello,losmaterialesporexcelenciausadosenlafabricacióndeRTD son el cobre (cada vez menos), el níquel y el platino.    De este último párrafo podemos deducir que el material ideal para construir un RTD tendría estas características:
  20. 20. 1.15 -200 -100 100 200 300 400 500 2.0     1.5     1.0     0.5      0 0 Cu  - . elevado < alta sensibilidad  - ! elevado < alta velocidad de respuesta y menor error.  - Relación lineal entre resistencia y temperatura.  - Facilidad para el estirado y arrollamiento durante el proceso de fabricación (rigidez y ductilidad).  - Estable en sus características durante la vida útil del RTD.    De la gráfica mostrada en la figura 1.15. podemos deducir que el Platino es el material más utilizado en la fabricación de RTD’s.        3.0        Pt    2.5      Ni  Fig. 1.15.- Linealidad en la variación de la resistencia con la temperatura para RTD de Cu, Ni y Pt.      Ventajas e inconvenientes de los RTD   Ventajas:    - Gran linealidad en un amplio margen de temperaturas.    - Operan a altas temperaturas.    - Sensibilidad hasta 10 veces mayor que los termopares.    - Gran exactitud en la medida.   Inconvenientes:    - Mucha inercia (elevado tiempo de respuesta).    - Autocalentamiento (debido a su conexionado y forma de operar).    - Posible presencia de deformaciones mecánicas.    - Más caros que otros transductores de temperatura, sobre todo en el caso del platino.    - Errores debido a los cables de contacto.      Construcción y Modelos físicos de RTD      Los RTD que más se utilizan en el campo de las mediciones y el control son:
  21. 21. 1.16 - RTD aislado por mica.-  Elconductor(metalsensor)seenrollasobreunnúcleodemicayconestemismoaislante secubretodo.Posteriormenteseintroducetodoenunavainametálica,queprotegeráalconjunto de vibraciones y golpes, además de proveer una buena transferencia térmica entre el conductor y el exterior. La figura 1.16. muestra gráficamente la estructura comentada.    Fig. 1.16.- RTD aislado por mica.   - RTD sellado en cerámica.-  Igual que antes, el conductor va sobre un soporte, pero en este caso cerámico, el mismo material que cubre a todo el elemento. Este tipo de RTD, mostrado en la figura 1.17, responde rápidamenteacambiosdetemperatura,debidoalospequeñostamañosenquesuelenfabricarse.    Fig. 1.17.- RTD sellado en cerámica. Elevado aislamiento.   - RTD sellado en vidrio.-  Enestecasoelmetalusadocomosensorsefundeenunsoportedevidrioporloquetodo queda perfectamente homogéneo. No se deben usar por encima de los 400(C.    Parafinalizaresterepasoalosdiferentesmodelosfísicosdelosdetectoresdetemperatura resistivos (RTD), se ha incluido en la figura 1.18. una serie de encapsulados para un tipo particular de RTD: los de película fina de platino. Este tipo de RTD adoptará uno u otro modelo deencapsuladodependiendoesencialmentedelmedioenelquesevaallevaracabolamedición de temperatura.
  22. 22. 1.17    Fig. 1.18.- Encapsulados de sensores de platino de película fina.    Acondicionamiento de señal    Para adaptar las variaciones de resistencia queseproducenenun RTD al circuito que va a tratar la información, se suelen utilizar los mismos montajes o circuitos que en los demás transductoresquetambiénvaríansuresistenciaconelfenómenoamedir:puentedeWheatstone, amplificadores de instrumentación, acondicionadores integrados, etc.    Uno de los acondicionadores más utilizado en estos casos ytambién fácil de analizar es el mostrado en la figura 1.19.  Fig. 1.19.- Circuito acondicionador básico para RTD.    
  23. 23. 1.18 Vo R1 R2  R1 VRTD R1 R2  R1 I#RRTD  En dicho circuito, se hace circular una corriente constante por el RTD, por lo que las variaciones de resistencia (debido a los cambios de temperatura) provocarán variaciones proporcionales de la tensión VRTD. Al ser un amplificador no inversor, tendremos: es decir, la salida (Vo) es directamente proporcional a la resistencia que en cada instante posea el RTD. Suponemos I lo suficientemente estabilizada en el margen de trabajo.    Los acondicionadores de señal integrados para los RTD, suelen ser los utilizados para otrostransductores/sensoresquetambiénestánbasadosenlavariaciónresistiva.Sucomposición, en general, suele ser la mostrada en la figura 1.20. y como ejemplos de estos circuitos, pueden citarse el 2B30 y el 2B31 de Analog Devices.    Fig. 1.20.- Esquema general y simplificado de un acondicionador de señal integrado para RTD.       1.3.2.- TERMISTORES    Lostermistoressonsensoresresistivos,perobasadosensemiconductores.Portanto,nos valemos de los cambios de resistencia eléctrica que experimenta este tipo de material al variar la temperatura del medio en el que se encuentra.    Su simbología define los dos tipos que hay, con coeficiente de temperatura positivo y negativo.Elprimertipoaumentalaresistenciaentresusterminalescuandolohacelatemperatura que afecta a su cuerpo. Sin embargo, en el segundo tipo, sucede todo lo contrario, ya que un aumento de la temperatura provoca una bajada de la resistencia medida en sus terminales. En ambos tipos se da el correspondiente "... y viceversa".    Podemos observar en la figura 1.21. el tramo recto que aparece en el extremo inferior de la línea transversal, el cual nos indica que la función que relaciona la resistencia con la temperatura no es lineal, a diferencia de como sucedía con el símbolo y función del RTD.
  24. 24. 1.19 R(T) RN e B B T TN    Fig. 1.21.- Símbolos del termistor: PTC y NTC.        Termistores de coeficiente de temperatura negativo (NTC)    En estos sensores, si la temperatura aumenta, su valor resistivo disminuye.    La función que relaciona a ambos parámetros en un margen de temperatura reducido (50(C) es: donde:    RN = Resistencia nominal del termistor a una temperatura nominal dada.  TN = Temperatura nominal a la que se da RN.  B = Constante que depende del material.    Los valores de RN y B dependen del proceso tecnológico utilizado en la fabricación del NTC.Porestemotivoesmuyfrecuenteunagrandispersióndevaloresaúndentro delas mismas series. Esto trae como consecuencia la necesaria calibración del termistor cuando se quiere utilizar para un termómetro de precisión.    Termistores de coeficiente de temperatura positivo (PTC)    Estossensoressuelenfabricarseconmaterialessemiconductoresmenoscomunesquelos utilizados para los NTC. Así, tenemos PTC que utilizan materiales ferroeléctricos prensados y otros utilizan semiconductores básicos (Si) pero fuertemente dopados.    La función que relaciona temperatura y resistencia en un PTC, en su margen de temperatura intermedio es    R(T) A C # e B T     donde A depende esencialmente, de las dimensiones del termistor y es un valor de resistencia residual. El parámetro C es el valor a 0(C de la resistencia del termistor.
  25. 25. 1.20  Circuitos acondicionadores    Son semejantes a los sugeridos para los RTD, con la importante salvedad que supone la condición "no lineal" de los termistores. Por ello, se ha de hacer una linealización de su comportamiento.Laformamáscómodayfácilescolocarleunaresistenciaenparalelo,tal como muestra la figura 1.22. Con esto, el valor del paralelo RT R para las diferentes temperaturas, sigue una variación bastante lineal, en comparación con como variaba RT sola.    Fig. 1.22.- Linealización del termistor mediante R paralelo.    Comparativa entre los termistores y los RTD    La tabla que se muestra a continuación nos da una idea de las prestaciones de los tres tipos de sensores de temperatura estudiados y que se puede analizar a modo de comparativa.  Característica        Estabilidad    Repetibilidad      Sensibilidad          Linealidad        Rango de T   Rango de R(T)            Precio Metálico    Buena    Buena      Baja        Alta        Alto      Bajo        Alto  NTC   Regular   Regular        Alta      Baja      Bajo      Alto      Bajo    PTC    Mala    Mala   Muy alta      Baja      Bajo      Alto      Bajo  Para finalizar el repaso general que hemos hecho de los termistores, conviene tener una idea del tamaño y forma que realmente suelen tener este tipo de sensores. En la figura 1.23 podemos observar una gran variedad de formas y encapsulados de NTC, que se adaptan a múltiplessuperficiesyfluidosdeloscualessedeseamedirlatemperatura.LosPTCsuelentener formas parecidas a los de la figura 1.23.
  26. 26. 1.21    Fig. 1.23.- Distintas formas para termistores NTC.       1.3.3.- OTROS TRANSDUCTORES DE TEMPERATURA    En este punto haremos referencia a otros transductores de temperatura que hacen uso de determinadas propiedades de los materiales para la captación termométrica.    Transductores de temperatura de unión semiconductora    Estetipodetransductoresesbastanteutilizadoysebasanenunefectomuypocodeseado en la mayoría de las ocasiones: la variación que experimenta la tensión en la unión N-P de un semiconductor cuando la temperatura en su entorno también varía.    Por tanto, para este tipo de transductores podremos utilizar diodos y transistores (con la uniónC-Bcortocircuitada).Larespuestaqueestossemiconductoresdanesmuypocolineal,por lo que se suele recurrir a los transductores de unión semiconductora integrados, los cuales, aunque basados en uniones N-P, añaden en el proceso de fabricación una linealización de la función temperatura-tensión en la unión. Esos tipos de integrados nos suelen ofrecer salidas en forma de corriente o en forma de tensión.    Analicemos someramente algunos de estos transductores en sus versiones comerciales:
  27. 27. VOUT Voltaje de salida a To 1 Tiempo necesario para que (en el ambiente definido) estando a T0 y llevado a T1 (mediante autocalentamiento por paso de corriente) pase a una temperatura T0 + 0.368 (T1-T0), tras la interrupción brusca de la corriente. 1.22 VOUTT VOUT To #  T To  T Temperatura a medir ((K) To Temperatura de referencia ((K)      To  -AD 590 de Analog Devices: Proporciona una corriente de salida en µA igual a la temperatura aplicada en grados centígrados, o sea, IT(µA) = T((C). El margen de alimentación está entre +4 y +30 V. El margen de temperatura de funcionamiento entre -55(C y 150(C con un error <1(C (típico 0'3(C).    Además: su constantedetiempo1 es de 60 seg. en aire quieto y1'4 seg.enaceiteagitado; alta impedancia de salida (> 10 M ); poco sensible a los cambios de alimentación (siempre dentro de un margen razonable).    - Familia LM x35 de National Semiconductor: Son sensores de alta precisión que proporcionan un voltaje directamente proporcional a la temperatura absoluta. Funcionan como un zéner con tres terminales (uno se utiliza para realizar una fácil calibración), cuyo voltaje inverso en el codo varía a razón de 10 mV/(K. Su salida viene dada por la expresión: donde:  Un resumen de sus características es:    - Corriente de operación entre 400 µA y 5 mA.  - Si se calibra a 25(C (298(K) ofrece un error típico menor de 1(C sobre un rango de    temperatura de 100(C.  - Rango de temperatura de funcionamiento: -55(C y +150(C.  - Bajo coste.    Termopares o sondas termométricas    El termoparesundispositivocapaz detransformarlas variaciones de energía térmica en variaciones de energía eléctrica. Su diferencia fundamental con los transductores vistos hasta ahora,estribaenquenonecesitanunaenergíaadicionalpararealizardichaconversión,esdecir, son transductores autónomos o activos.    El termopar está constituido por dos conductores (metales) unidos por uno de sus extremos (figura 1.24 a). Esta unión recibe el nombre de unión caliente (U.C.) o unión sensora (U.S.),porserlaqueseencuentraalatemperaturaamedir.Losotrosdosextremos(unodecada conductor) estarán a una misma temperatura que es la de referencia.
  28. 28. 1.23  A efectos de estudio, el termopar se puede considerar unido por ambos extremos (figura 1.24b).Unode ellos será la unión caliente o sensora yelotro launiónfría(U.F.)odereferencia (U.R.) y se debe mantener a una temperatura constante.    Fig. 1.24.- Constitución real del termopar (a). Termopar a efectos de estudio (b).    Estos transductores generan una d.d.p.,V, proporcional a la diferencia de temperatura entre sus uniones (T - To), la cual nos servirá para realizar la medida de T. Hay que hacer notar que los termopares también se emplean para medir presiones, flujo, radiaciones infrarrojas, etc.    El principio de funcionamiento de los termopares está basado en el efecto Seebeck, que a su vez, reúne en sí los efectos Peltier yThomson. Dicho efecto consiste en que si se tienen dos metales distintos unidos por sus dos extremos (termopar) y los calentamos de forma que se mantenga una diferencia de temperatura entre las uniones, aparece una diferencia de potencial (d.d.p.),yenconsecuencia,unacorrienteenelcircuitoformadoporlosmetales,talcomomuestra la figura 1.25.    Fig. 1.25.- Efecto Seebeck en un termopar.    En la figura se indica V e I, que son la d.d.p. y corriente generadas como consecuencia de que T g To. Aunque abramos el termopar, la d.d.p. V se conserva y aparece entre los bornes o extremos de apertura.
  29. 29. 1.24  El efecto Seebeck es reversible: si hacemos que circule una corriente por un termopar, cuyas uniones estuviesen inicialmente a la misma temperatura, aparecerá una diferencia de temperatura entre dichas uniones y será proporcional a dicha corriente.    Por último, incluimos una tabla en la que se señalan los principales tipos de termopares, así como su composición y características principales. Tipo de Composición Rango de Tolerancia termopar      B  Polo +   Aleación Platino-    Rodio (30%)    Polo -    Aleación Platino-Rodio (6%) temperatura    +600(C a    +1700(C ±4(C ó ±0'5% R Aleación Platino- Rodio Platino 0(C a +1600(C ±1'5(C ó ±0'25% S  (13%)   Aleación Platino- Rodio (10%) Platino 0(C a +1600(C ±1'5(C ó ±0'25% K Aleación    Ni-C Aleación    Al-Ni 0(C a 1000(C 0(C a 1200(C  ±1'5(C ó ±0'4% ±2'5(C ó ±0'75% -200(C a 0(C ±2'5(C ó ±1'5% E Aleación    Ni-Cr Aleación    Cu-Ni 0(C a 800(C 0(C a 800(C  ±1'5(C ó ±0'4% ±2'5(C ó ±0'75% -200(C a 0(C ±2'5(C ó ±1'5% J       T Hierro       Cobre Aleación  Cu-Ni     Aleación    Cu-Ni 0(C a 750(C 0(C a 750(C 0(C a 350(C 0(C a 350(C  ±1'5(C ó ±0'4% ±2'5(C ó ±0'75%  ±0'5(C ó ±0'4%    ±1(C ó ±0'75% -200(C a 0(C ±1(C ó ±1'5% 1.4.- DETECTORES DE LUMINOSIDAD        Bajo este título vamos a incluir a todos aquellos transductores que hacen uso de las radiaciones luminosas para su funcionamiento. Así podremos encontrar sensores que se limitan
  30. 30. 2 Téngase en cuenta que f=c/ 1.25 c#h  E simplemente a comunicar la presencia o no de luz, tanto en el espectro visible como en el no visible; sensores que, haciendo uso de la luz, permiten conocer la distancia de un determinado obstáculo; sensores que nos pueden indicar el tamaño de un determinado cuerpo mediante la interrupción de un rayo de luz, etc.       1.4.1.- FOTORRESISTENCIAS (LDR)    Las fotorresistencias o fotoconductores ( en inglés, Light Dependent Resistors, LDR) se basan en la variación de la resistencia eléctrica de un semiconductor al incidir en él radiación electromagnética de tipo óptica (100' 106 ', 1' = 0'1 nm). Su símbolo es el mostrado en la figura 1.26.    Fig. 1.26.- Símbolo de un LDR.    La conductividadeléctricaenunmaterialdependedelnúmerodeportadoresen la banda deconducción(B.C.). Enunsemiconductorabajatemperatura,la mayorpartedesuselectrones están en la banda de valencia (B.V.) y se comporta casi como un aislante. Para pasar electrones de la B.V. a la B.C. hay que aportar energía y superar así la banda prohibida (B.P.). Este aporte de energía puede hacerse mediante calor, tensión eléctrica, radiación óptica, etc. En el caso de la radiación óptica, su energía, E, y frecuencia, f, están relacionadas mediante la constante de Planck, h = 6'62 # 10-34 J # s.        E=h # f    Entonces si la radiación, debido a su frecuencia, tiene energía suficiente para permitir el salto de los electrones de la B.V. a la B.C., pero sin provocar deterioro del material semiconductor,setendráelefectofotoeléctricoyamayoriluminación,mayorconductividad.La expresiónquenospermiteconocer larelaciónentrelaenergíade los fotones (E)ylalongitudde onda de la radiación ( ) es:2 donde C es la velocidad de la luz (3 # 108 m/s).    Mediante las expresiones anteriores y conociendo el ancho de la B.P. de algunos semiconductores, podremos conocer la longitud de onda ( ) que debe tener la radiación óptica para provocar el deseado aumento de la conductividad en el material (disminución de la resistencia). Así tenemos, para algunos de ellos, los siguientes valores:
  31. 31. 3 1eV=1.6x10-19 J 1.26 MATERIAL SCd SeCd Si Ge AsIn SePb ANCHO B.P.(eV)3  2'40  1'80  1'12  0'67  0'35  0'27 (µm)  0'52  0'69  1'10  1'85  3'54  4'58  Aspectos positivos y negativos de las LDR    UnfactornegativoaconsiderardelasLDR essunolinealidad,esdecir,larelaciónentre laenergíaluminosaaplicada(E)ylaresistenciaeléctricamedida(R),nosigueunafunciónlineal. Aproximadamente viene dada por una expresión del tipo:      R A#E     donde A y. dependendelmaterialylascondicionesdefabricación. Otro factor nada bueno que se da en las LDR, es que la respuesta al subir la iluminación que incide sobre ella no sigue la mismalíneaquelarespuestaalbajardichailuminación.Tambiénsonsensiblesalatemperatura.    Como aspectos positivos podemos señalar su robustez para distintos medios, su fácil instalación,construcciónnoexcesivamentecomplejaysobretodoposibilidaddeincluirmúltiples tipos de materiales fotosensibles a gran variedad de radiaciones luminosas. Fig. 1.27.-Diferentes vistas y encapsulados para LDR.
  32. 32. 1.27 En la figura 1.27. podemos observar varios aspectos físicos de una LDR: vista superior, sección transversal-lateral y tipos de encapsulado. En la vista superior se puede observar el zig-zag que sigue la capa fotoconductiva con el fin de aprovechar al máximo la superficie de incidencia de la iluminación.        Materiales y comportamiento de las LDR    A temperatura ambiente, los materiales fotoconductores más utilizados son sulfuros del tipo SCd, SPb y SePb, en particular el primero.    Las aplicaciones de las LDR de uso común están en los receptores de TV (control automático de brillo y contraste), cámaras fotográficas, detección de fuego, control de iluminación de vías públicas, etc.    En la figura 1.28. hemos reproducido una gráfica que nos muestra aproximadamente la relación que puede haber entre la resistencia ofrecida por una LDR entre sus terminales y la iluminación que sobre ella incide.    Fig. 1.28.- Característica resistencia-iluminación de una LDR.    Observar que se han elegido escalas logarítmicas ypor tanto aparece una función lineal. Silasescalashubiesensidolineales,lafuncióntendríaformaexponencial,talcomocorresponde a la expresión R = f(E) dada anteriormente.     1.4.2.- FOTODIODOS    Cuando una unión N-P (diodo) es polarizada inversamente, se genera una zona desierta quehacedelacorrientecirculanteunmínimo(corrienteinversadesaturación).Estazonadesierta carece de las correspondientes parejas electrón-hueco que permiten una fácil circulación de corriente.Siexponemosaunaenergíaluminosala zonadesiertadeldiodo,sepueden"arrancar"
  33. 33. 1.28 electrones de la Banda de Valencia y situarlos en la de Conducción, con lo cual la corriente inversaaumentaría.Todoestosepodríaresumirdiciendoquecuandoenunfotodiodoincideluz de la frecuencia (o longitud de onda) para la que está diseñado, su corriente inversa aumenta considerablemente, efectuándose por tanto una transducción luz-corriente eléctrica (o tensión).    En la figura 1.29. se muestra el conexionado básico de los fotodiodos y su curva característica, con luz y sin luz.    Fig. 1.29.- Comportamiento de un fotodiodo polarizado inversamente.    Se puede observar que cuando incide la luz sobre el fotodiodo, este aumenta de forma notable su corriente inversa de circulación, con lo que aumentará la caída de tensión en la resistencia (R) del circuito.       1.4.3.- FOTOTRANSISTORES    Su comportamiento está basado en el mismo principio que para el fotodiodo, con la salvedad de que la incidencia luminosa se produce, en este caso, sobre la unión Colector-Base de un transistor. Esta unión, suele estar polarizada en inverso, por lo que en régimen oscuro se tendrá un valor de corriente de colector en reposo. Cuando la luz incidasobrela unión C-B, esta generarápareselectrón-huecoprovocandounaumentoconsiderabledelaIc,que,circulandopor una resistencia de carga provocará a su vez un aumento de la caída de tensión en ella.  Fig. 1.30.- Símbolo del fototransistor.        
  34. 34. 1.29      EMISOR      LENTES DE TRANSMISION              SUPERFICIE A CONTROL DE RADIACION  EMITIDA  ETAPA DE SALIDA                  DETECTOR SENSIBLE      AL LUGAR DE INCIDENCIA        (PSD)    LENTES DE    RECEPCION  Enlafigura1.30.seharepresentadoelsímbolofrecuentementeutilizadoparaidentificar a un fototransistor.    Debido a su mayor poder de amplificación y su elevada sensibilidad en diferentes modelos de fabricación, el fototransistor se va haciendo de uso más común que el fotodiodo en múltiples aplicaciones de detección luminosa. Tal como sucedía con el fotodiodo, se fabrican fototransistores sensibles a una elevada variedad de longitud de onda óptica, hecho éste, que aumenta sus campos de aplicación.       1.4.4.- FOTOCELULAS    Las fotocélulas son sensores que detectan objetos y determinan las distancias a las que se encuentran estos, empleando una fuente o emisor de luz (normalmente en el espectro infrarrojo), un detector yuna circuitería adicional. Poseen una gran importancia en aplicaciones industriales y su uso es cada vez más frecuente.    Existe una amplia variedad de fotocélulas en el mercado, orientadas a muy distintas aplicaciones. Ello implica que su aspecto externo esté adaptado al uso que se le va a dar. En cuanto a su circuitería interna, las haymás o menos complejas yvan desde aquellas que poseen el total de la circuitería de emisión y recepción hasta aquellas que las llevan físicamente separadas en dos módulos independientes.    A pesar de esta diversidad, podemos hablar de una configuración típica de estos dispositivos, como puede ser la mostrada en la figura 1.31.  VARIAS DISTANCIAS  DE LA FOTOCELULA            Fig. 1.31.- Configuración típica de una fotocélula.          
  35. 35. 1.30 - Circuito de control de radiación emitida (Driver del emisor): Aporta una señal en forma de pulsos al emisor (láser semiconductor, LED, lámpara de incandescencia). La potencia de dicha señal es elevada, de forma que la salida del emisor tenga la suficiente energía como para conseguir grandes distancias y mínimas interferencias de la luz exterior.   -Emisor:Puedeserdealgunadelasformascitadasanteriormente.Lalámpara,igualquelosLED rojo y verde, proporcionan luz visible, lo que permite alinear fácilmente el haz entre emisor y receptor.Suprincipalinconvenienteesladisipacióndepotenciayunperíododevidamáscorto. Los LED más utilizados suelen ser de infrarrojos, por su relativa inmunidad a la luz ambiental y su mayor salida luminosa, lo que se traduce en una mayor distancia de detección.    Por último, el diodo láser (visible o infrarrojo), se emplea en aplicaciones donde se necesita alta precisión, debido a que se consiguen rayos de luz muy estrechos y de escasa apertura, limitando así el tamaño de la zona de detección.   - Lentes: Su función esencial es la de hacer converger los rayos luminosos que reciben hacia un puntodeterminado,bienenelexteriordelacélula(detransmisión),bienenelinteriordeésta(de recepción). Como función adicional, las lentes pueden llevar incorporado un filtro polarizador, el cual sólo dejará pasar radiaciones luminosas en un solo plano.   - Receptor: Si bien en la figura 1.31. se puso de detector uno de los más complejos (PSD), este módulopuedesertanbásicocomounasimpleLDR,fotodiodoofototransistor,actuandoenON- OFF. El PSD (Position Sensitive Detector) se utiliza en las fotocélulas de desplazamiento. Sus especiales características (alta linealidad, buena resolución y rápida respuesta) hacen de este sensor uno de los más utilizados en el campo industrial.   -Etapade Salida: Esuncircuito bastantecomplejo, que constaráde: lainterfaceconel receptor, filtros, acondicionador de señal, temporización, etc. Cuanto más complejo sea el elemento receptor más lo será la etapa de salida.    EnelcasodelPSD,lainterfaceconelreceptortendrádosentradas(ademásdelacomún), a partir de las cuales se calcula la distancia a la que incidió el haz sobre la superficie del PSD. Además éste módulo que hemos denominado genéricamente etapa de salida, puede incluir: display para información inmediata y programación, conexiones RS-232 y GPIB, salida digital yanalógica,CPU,etc.Unejemplode etapa de salida para unafotocéluladedesplazamientocon receptor tipo PSD es el mostrado en la figura 1.32., en la cual se pueden observar algunos de los elementos relacionados yotros que ayudan a obtener una mejora de las prestaciones del sistema en general.    Así,la CPUnospermiteformarunatablaconlosvaloressuministradosporelconversor A/D, además de hacer una compensación lineal de dichos valores. También se puede encargar de promediar valores digitales consecutivos de forma que se pueda introducir entre ellos otros nuevos que sirvan para obtener una mejor definición de la señal digital y analógica de salida. Además, podemos observar el módulo denominado “control de transmisión y display”, el cual tiene un doble cometido: hacer de interface entre el panel de control (teclado) y el resto del sistema, y proporcionar un canal de comunicación para la transmisión de datos entre el exterior y el interior, vía GPIB y RS-232.
  36. 36. 1.31    Fig. 1.32.- Etapa de salida para fotocélula de desplazamiento con receptor tipo PSD.    Aplicaciones de las fotocélulas    Entre las más difundidas e importantes aplicaciones de las fotocélulas podemos citar las siguientes:    - Posicionamiento correcto de componentes en placas de circuito impreso.  - Detección de polaridad de condensadores electrolíticos.  - Posición de un display de cristal líquido.  - Medida de la distancia entre pines de los chips.  - Detección de niveles de líquidos en determinados procesos químicos.  - Control y automatización de alumbrados.  - Contador digital de elementos en una cadena.  - Etc.     1.5.- TRANSDUCTORES DE ULTRASONIDOS    Losultrasonidossonunfenómenoacústico-mecánicoqueconsisteenlavibracióndelas partículas materiales de un medio. Cuando hablamos de ultrasonidos, la vibración se produce a una frecuencia superior al límite máximo audible por el ser humano, es decir, por encima de los 20 KHz.  El estudio del fenómeno de los ultrasonidos se reduce, por tanto, a la teoría de ondas sonoras. Este estudio habrá que llevarlo a cabo con unas connotaciones específicas que vienen impuestasporlamayorfrecuenciadetrabajo,yorientarloalasaplicacionestaninteresantesque se derivan de sus características.
  37. 37. 1.32  Estas aplicaciones se van a basar en dos fenómenos principalmente:    - Utilización de la energía mecánica transmitida por las ondas. Esto permitirá usar  transductores sensibles a la presión que ejercen estas ondas ultrasónicas.    - Análisis de la onda una vez que ha pasado por un medio bajo prueba.       1.5.1.- TIPOS DE TRANSDUCTORES DE ULTRASONIDOS    Se denomina transductor de ultrasonidos tanto a un elemento que convierte la energía eléctrica en ultrasonidos (emisor) como a aquel que efectúe la conversión contraria, de ultrasonidos a energía eléctrica (receptor). A los transductores que pueden realizar indistintamente las dos funciones con similar eficiencia se les denomina reversibles.    Los tipos de transductores más importantes son los piezoeléctricos, magnetoestrictivos, mecánicos, electromagnéticos y electroestáticos.    Transductores piezoeléctricos para ultrasonidos    Sebasanenelefectopiezoeléctrico(yacomentadoenpuntosanteriores),sonreversibles ysurangodefrecuenciasdeutilizaciónvadesdealgunosKHz.hastalosMHz.Talcomosucedía para los transductores piezoeléctricos de carácter general comentados al inicio del tema, podremos encontrarnos materiales naturales (cuarzo, turmalina, sulfuro de cadmio, etc.) y artificiales (cerámicas).    En muchos transductores piezoeléctricos deultrasonidos sesuelen utilizarlas cerámicas ya que presentan la ventaja de no depender su efecto piezoeléctrico de la dirección de corte (lo que sí sucede en los naturales) y se pueden construir de forma cóncava para enfocar el haz ultrasónico, con la ventaja que ello supone.    Desdeelpuntodevistadelanchodebanda,esteespequeñoenlosnaturales,utilizándose estosparalatransmisióndeformacontinua,dondeserequiereestabilidaddefrecuencia.Porotro ladoloscerámicospresentanunmayoranchodebanda,siendomáspropiciosparalaemisiónde pulsos y evitando así el sobrecalentamiento, que podría alterar sus propiedades piezoeléctricas.    Paraconocermejorlascaracterísticasdeuntransductorultrasónicopiezoeléctrico,vamos a analizar el mostrado en el dibujo que se encuentra en la figura 1.33., el cual, tiene un comportamiento bastante completo y será un excelente ejemplo.
  38. 38. 1.33    Fig. 1.33.- Interior de un transductor ultrasónico piezoeléctrico.    Cuando este transductor es conectado al equipo de ultrasonidos, transmite la onda ultrasónica y recibe sus reflexiones al incidir sobre un obstáculo. Un transductor de este tipo puede ser utilizado tanto de emisor como de receptor, dependiendo de la conexión que se haga al equipo de ultrasonidos.    En su interior, un pequeño cristal piezoeléctrico sirve como transmisor y/o receptor de ondas ultrasónicas. Como materiales piezoeléctricos suelen utilizarse cuarzo, titanato de bario, ycirconatodeplomo,loscualestienenbuenascaracterísticasparaconvertirseñaleseléctricasen ondas ultrasónicas y viceversa.    Elmaterialpiezoeléctricodeltransductorescubiertocondosláminasconductorasensus dossuperficiesparalelas.Siunvoltajeesaplicadoalasláminas,elcristalpiezoeléctricocambiará su espesor en función del voltaje aplicado. Similarmente, si el cristal es sometido a un stress mecánico (por ejemplo, un pulso ultrasónico) de tal modo que sea deformado, un voltaje aparecerá entre las láminas conductoras que lo rodean y por tanto en los conductores que salen de ellas. Este voltaje será proporcional al esfuerzo o deformación mecánica (stress). Un voltaje alterno producirá un cambio alterno del espesor del cristal, y viceversa.    Una vez analizado elfuncionamientodeltransductor mostrado en la figura 1.33., vamos afinalizarcomentandoalgunasdesuspartesmásimportantes(ademásdelcristalpiezoeléctrico).
  39. 39. 1.34 - Amortiguador (Backing Layer): es un elemento fundamentalenestetipodetransductores.Sus funciones son:    -Reducireltiempodeoscilacióndelcristal,yenconsecuencia,reducirladuración      del impulso.    -Absorber las ondas que pudieran resultar perturbadoras.    - Servir de soporte al cristal piezoeléctrico.    La primera de las funciones es quizás la más importante, ya que la duración del impulso acústico influye decisivamente en el poder de resolución. Para conseguir un buen amortiguamiento se utiliza un material de elevada impedancia acústica (resistencia que ofrece a la vibración) con un elevado coeficiente de atenuación para absorber ondas perturbadoras. Esta solución de compromiso se consigue utilizando materiales compuestos, basados en resinas sintéticas tales como el dioxido de manganeso, minio, etc.   -Carcasa(Housing): suele ser dealuminioyenvuelveatodo eltransductor,conelfindedotarle de una mayor rigidez y mejorar sus prestaciones mecánicas.   - Sintonía (Tuning coil): permite mejorar el ajuste para trabajar a una frecuencia determinada. Modifica el tamaño del espacio interior del transductor de forma que hace más o menos fácil la variación de tamaño del cristal.   - Superficie de acoplamiento (Matching Layer): es la capa que cubre al cristal piezoeléctrico. Puede ser desde un simple protector del cristal hasta una lente acústica, de forma que tanto la emisión como la recepción tengan un punto de enfoque,enelcualseconcentrantodos los haces ultrasónicos, confiriendo una mejora notable en el comportamiento general del transductor. En puntos posteriores haremos una mención específica a las lentes acústicas.    Transductores magnetoestrictivos    Se realizan con materiales ferromagnéticos, esto es, metales como el níquel, el cobalto yel hierro, que son fácilmente magnetizados yque presentan el efecto de magnetoestricción: se deforman cuando están sometidos a un campo magnético y viceversa, es decir, varía el flujo magnético a través de ellos cuando son sometidos a una carga mecánica (por ejemplo, un pulso ultrasónico).  Fig. 1.34.- Modelo simplificado del transductor magnetoestrictivo.    
  40. 40. 1.35  Enlafigura1.34.vemosunasimplificacióndeuntransductormagnetoestrictivo.Elflujo inducido por la bobina de polarización sobre la otra es prácticamente constante mientras esté en reposo (por tanto no habrá fem inducida). Cuando un pulso ultrasónico (o carga mecánica) "choca" con la varilla, esta se deforma, lo que provocará una variación del flujo magnético que llega a la bobina de excitación. Esta variación de flujo provoca una fem inducida, lo que hace variar a su vez la corriente que circula entre los terminales de dicha bobina y que será recogida por el adaptador de señal correspondiente.    Transductores mecánicos    Se usan casi exclusivamente en aplicaciones de alta intensidad en líquidos ygases, para frecuencias superiores a los 25 KHz. Son generalmente más potentes y menos caros que los piezoeléctricos y magnetroestrictivos. Los dos tipos principales de emisores son el silbato y la sirena.  - Silbato: se basa en pasar un gas o un líquido a alta velocidad a través de un orificio o sobre un borde afilado; es el principio en el que se basa cualquiera de los silbatos audibles conocidos pero con mayor sofisticación y precisión.  -Sirena:sebasaenundiscoquegiraaunadeterminadavelocidad,alcualselehanhecho unos agujeros formando circunferencias concéntricas. Frente a este disco hay otro fijo, el cual tieneunastoberasporlasquefluyeungas (normalmente aire) queincidedirectamentesobrelos agujerosdeldiscomóvil. La frecuencia ultrasónica emitida será igualalnúmerodevecesquese interrumpe el flujo de gas, es decir, al número de agujeros por la velocidad de rotación.    Transductores electromagnéticos    Se basan en el movimiento de una bobina portadora de corriente en el seno de un campo magnético.Comúnmenteseusanpara frecuencias audiblesenformadealtavocesymicrófonos, estando bastante restringida su aplicación en ultrasonidos. Para recordar el principio de funcionamiento se puede recurrir nuevamente a la figura 1.3.    Transductores electrostáticos    Consisten en dos placas paralelas de material conductor, entre las cuales se sitúa un dieléctrico, formando el conjunto un condensador.  Fig. 1.35.- Transductor ultrasónico electrostático.    
  41. 41. 1.36 arcsen 1 22  2a  Unaplacaesfija,mientrasquelaotrapuedevibrarlibrementecuandosobreellaseejerce una presión tipo onda ultrasónica. Al transductor (condensador) se le coloca en serie una resistenciadealtovaloryunatensiónconstantedevarioscientosdevoltios, manteniendoasílas placas cargadas, tal como se muestra en la figura 1.35.    Paralatransmisiónseaplicaalasplacaslatensióndeexcitaciónvariable,lacualproduce una variación periódica las cargas inducidas y con ello el movimiento de la placa que puede vibrar.Comoreceptor,lasvibracionesdelaplacamóvilproducencambiosenlacapacidadycon ello, en la corriente que fluye. Esta corriente hace variar la caída de tensión en R, que nos sirve como salida.    Se usan en gases y líquidos para frecuencias de hasta algunos cientos de KHz.       1.5.2.- LENTES ACUSTICAS: ENFOQUE DEL RAYO ULTRASONICO    En la ecuación: se expresa la relación entre el radio de la fuente emisora (a) y el ángulo de divergencia ( ) una vez que el rayo ultrasónico empieza a divergir. En ella vemos que al disminuir el radio, este ángulo aumenta. Por ello, normalmente, el radio de la fuente emisora se hace mucho mayor que la longitud de onda ( ), consiguiéndose una mayor distancia con el rayo sin divergir, como consecuencia de la disminución de . En algunas ocasiones, esta relación /a tiene su límite, recurriéndose entonces a la concentración del rayo ultrasónico mediante lentes acústicas. Estas lentes permiten concentrar toda la energía de un rayo ultrasónico en un punto, denominado de enfoque (P.E.). Fig. 1.36.- Enfoque del rayo ultrasónico. A) Reflector curvo. B) Reflector parabólico. C) Lente convergente.  D) Emisor curvo (cerámicos) .
  42. 42. 1.37  Existen varios tipos y posibilidades para las lentes acústicas, tal como se muestra en la figura 1.36.    Un haz concentrado aumenta considerablemente la energía ultrasónica en el punto de enfoque (P.E.), hecho requerido en diversas aplicaciones de gran potencia. Como se puede observarenlafigura1.36.,lasposibilidadesdeenfoquesebasan,oenrealizarelemisordeforma curva, o bien en incorporar un elemento adicional (reflector o lente acústica).       1.6.- DETECTORES DE HUMO Y FUEGO        Si bien este tipo de sensores no intervienen directamente en el control del proceso industrial, es necesario su conocimiento, ya que sí están implicados de lleno en el entorno de la planta.Efectivamente,cualquiersistemademedición,controlelectrónicooadquisicióndedatos, no sólo llevará un seguimiento de los parámetros implicados en el proceso de producción, sino que controlarátambiénelementosfundamentalesparala seguridad yel buen funcionamiento de toda la planta o entorno.    Cuandosetieneunsistemainformáticoparacontrol,esnormalqueseutilicenalmáximo sus posibilidades en este campo, por lo que no sólo se le dotará de entradas que vengan de las medidas electrónicas llevadas a cabo sobre los productos sino que tendrá una serie de accesos para las alarmas del entorno: presencia de humos tóxicos o nocivos, fuegos incontrolados, etc.    Por todo lo expuesto, merece la pena desarrollar básicamente el funcionamiento y actuación de los detectores de humo y fuego, ya que no detectar la presencia de estos agentes puede anular cualquier buen diseño y funcionamiento de un sistema electrónico de medida y control.    Indicador de fuego y humo    Cualquier producto de un fuego que cambie las condiciones ambientales podrá ser llamado indicador de fuego yes, por tanto, susceptible de serusadoparaladetección de este. El principal indicador de fuego usado en los detectores es el aerosol.    Los aerosoles son partículas suspendidas en el aire. El proceso de combustión (fuego) lanza a la atmósfera gran número de partículas sólidas y líquidas, las cuales pueden tener un tamañocomprendidoentre10µmy1nm.Losaerosolesqueemanandeunfuegotienendostipos departículascaracterísticas.Laspartículasmenoresde0'3µmnodispersanlaluzeficientemente y se denominan invisibles. Las mayores de 0'3 µm dispersan la luz y son clasificadas como visibles. Las partículas invisibles del aerosol son conocidas normalmente como productos de combustión y las visibles como humo. Las partículas invisibles de aerosol son las que primero aparecen y ya denotan la presencia de una combustión.    Llegados a este punto, queremos establecer una diferencia, quizás de matiz, pero desde el punto de vista de los sensores, fundamental. Una cosa es la detección del fuego mediante los productosqueemitealaatmósfera,esdecir,medianteelhumoquedesprende,yotraladetección
  43. 43. 1.38 de la llama, que se hará mediante detectores o sensores de calor. Una detección no tiene porque implicar la otra, todo dependerá de la finalidad que se persiga.    Detectores de humo y fuego    En este punto vamos a comentar la detección del fuego mediante sensores que se valen delprincipalelementoqueemanadeéste(siexceptuamoselcalor,queestámáspróximoallugar de la combustión), el humo.    Hay dos tipos básicos de detectores de humo: fotoeléctrico y de cámara de ionización.    Losdetectoresfotoeléctricosdehumousan,ounalámparadeincandescencia(bombilla), o un LED, para enviar un rayo luminoso hacia su frontal. Cuando el humo entra en el detector por dicho frontal, la luz del rayo es reflejada por las partículas del humo llegando entonces a incidir en una fotocélula, con lo cual la alarma será disparada. Mientras no haya humo, la fotocélula no recibe luz procedente del LED o bombilla, ya que ésta es emitida en dirección perpendicular al plano que ocupan el LED y la fotocélula. En la figura 1.37. se puede ver esquematizadalaestructuradeundetectordehumofotoeléctricovistoporlacaraencontactocon el medio.    Fig. 1.37.- Detector de humo tipo fotoeléctrico.    Eldetectordehumodecámaradeionizaciónposee una pequeña fuentederadiaciónque produce moléculas de aire cargadas eléctricamente, llamadas iones. Estos iones permiten que fluya una pequeña corriente eléctrica en el senode lacámara.Laspartículasdehumoqueentren en la cámara neutralizarán por si mismas a los iones, reduciendo de este modo el flujo eléctrico. Este cambio de corriente activará la alarma.    Enlafigura1.38.sepuedeverdeunmodosimplificadoelfuncionamientobásicodeeste tipodesensordehumo.Laspartículas.songeneradasporlafuenteradioactiva.Estaspartículas bombardean el aire, provocando su ionización. El aire ionizado permite que se cierre el circuito entre los electrodos colectores y la alarma permanecerá en reposo.    Cuando llegan los aerosoles (humo) las partículas ionizadas quedan neutralizadas y se corta el flujo de corriente entre los electrodos, por lo que la alarma detectará un aumento de corriente por ella (está en paralelo) y se disparará, avisando de la presencia del humo.
  44. 44. 1.39    Fig. 1.38.- Detector de humo por cámara de ionización.    Cuando se desea fabricar un detector de humo que reúna las condiciones óptimas de calidad y fiabilidad, éste llevará incorporado ambos sistemas detectores: fotoeléctrico e ionización. Esto garantiza un disparo de la alarma para la más mínima presencia de humo.    Detectores de llama    Los detectores de llama son detectores térmicos que actúan cuando el calor es elevado, típicamente 55(C - 60(C. Estas unidades constan de un elemento bimetálico que se dobla con el calor, debido a la diferencia en el coeficiente de dilatación de ambos metales. Al doblarse, cerrarán un circuito que avisará de la presencia de una elevada temperatura. Puesto que estas unidadesnodetectanhumooproductosdelacombustión,nosonrecomendadasparaáreasdonde haya personas ya que cuando detecten la presencia de las llamas puede ser tarde: las personas podrían haber perdido el conocimiento por la presencia del humo. Los recintos donde sí puede ser interesante instalar detectores de llama son: terrazas, garajes descubiertos, hornos, etc. Los detectoresdellamamásactualizados,utilizanlasradiacionesultravioletasqueemitenlasllamas para avisar de su presencia. Tampoco son recomendables en lugares residenciales.    Las unidades detectoras de llama profesionales, deben responder también a ciertos tipos de gases (propano, monóxido de carbono, butano, vapores de gasolina, etc.) que no podrían ser detectados por los sensores de humo y fuego.    Porúltimo,recordarquelamayoríadelos fuegosdomésticosproducenaerosolesqueno son detectados por los sensores de humo, debido al reducido tamaño de sus partículas. Por ello es necesario contar en los lugares donde haya personas con los dos tipos de detectores: de humo y fuego y de llamas.
  45. 45. 1.40 1.7.- FIBRAS ÓPTICAS    Si bien las fibras ópticas no pueden ser consideradas transductores o sensores en el sentidoestrictodeladefiniciónquesedioparaéstos,sípuedenincluirseenunestudioglobalde este tipo de elementos, ya que su vinculación con las fibras ópticas, en algunos campos importantes, es fundamental.    Lafibraópticaes,enesencia,unconductordeluz,esdecir,porsuinteriorseproduceuna circulacióndepartículasluminosas.Estolashaceelmedioidóneoparatransmitirlaluzagrandes distancias sin que se vea alterada en su composición básica.    Como se ha visto a lo largo de puntos anteriores, la luz ha sido la radiación electromagnéticaenlaquesehanbasadomúltiplesaplicacionesydelaquesehan"aprovechado" granvariedaddetransductoresydispositivoselectrónicosdecontrolymedida(LDR,fotodiodos, fototransistores, LED, fotocélulas, medidores y contadores ópticos, etc.).    Sinembargo,muchasvecesinteresa"llevarlaluz"o"recogerlaluz"a/depuntosremotos o de difícil acceso. Ahí es donde entra enjuegolafibraóptica. Además veremos posteriormente las múltiples aplicaciones que se le dan a estos conductores de luz.    Un ejemplo de esto último son las fibras ópticas desarrolladas en las fotocélulas, con el fin de dar respuesta a las crecientes necesidades y en ambientes adversos. Las fibras permiten llevar la luz procedente del emisor a sitios realmente recónditos, en los cuales no se podría instalar una fuente emisora de luz de ninguna manera.    Principio de funcionamiento    La fibra óptica hace uso del principio de reflexión total interna.  Fig. 1.39.- (A) Refracción de la luz cuando pasa de un medio a otro. (B) Fenómeno de reflexión total interna.      Cuando un rayo de luz pasa de un medio con un índice de refracción n1 a otro con índice n2 yse cumple que n1> n2, dicho rayo tiende a volver al medio de donde salió (fig. 1.39 (A)). Si la relación entre índices alcanza un valor adecuado, el rayo al incidir sobre el segundo medio vuelveensutotalidadalprimero(fig.1.39(B))produciéndoseentonceslareflexióntotalinterna. Para ello, se tendrá en cuenta también el ángulo de incidencia del rayo, el cual será fundamental en las fibras ópticas.
  46. 46. 1.41  Si,basándonosenesteprincipio,construimosunelementodotadodeunnúcleoconíndice de refracción nc, rodeado en su totalidad por otro material (revestimiento) con índice de refracción nr, de forma que nr < nc, al incidir sobre su superficie transversal un rayo de luz, quedará confinado en su interior, propagándose a través de él, tal como queda reflejado en la figura 1.40.    Fig. 1.40.- Capas de una fibra óptica. Camino seguido por un rayo de luz a través de la fibra.    La luz que entra en la fibra óptica se propaga a través del núcleo en modos, que representan a los diferentes caminos posibles para las ondas luminosas. Así, tendremos fibras monomodoymultimodo.Losmodosposiblesenunafibraópticaestaránenfuncióndelradiodel núcleo, longitud de onda de la radiación y los índices de refracción del núcleo y revestimiento (nc y nr).    Para que en una fibra óptica se produzca la reflexión total interna del rayo que incide sobresuentrada,éstedebeincidirdentrodeunciertoángulo(.), llamado ángulodeaceptación. Cualquierondaqueentresegúnunángulomayorescaparáatravésdelrevestimiento.Esteángulo da lugar a un término fundamental en las fibras ópticas: la apertura numérica NA. El concepto de apertura numérica es ampliamente utilizado para describir la potencia colectora de luz de la fibra y para calcular la eficiencia de acoplo fuente/fibra. Su expresión es:        2 2       donde .max, representa el máximo ángulo de aceptación y NA está en función de los índices de refracción de los materiales de la fibra.    El material empleado enlaconstrucción de fibras ópticas debe reunir tres características físicas fundamentalmente, amén de las químicas, que le confieren la calidad para el uso en las comunicaciones y demás campos. Dichas características son:    - Fácil propagación de la luz.  - Fácil filamentación.  - Fácil calibración de los índices de refracción.
  47. 47. 1.42  Dependiendo del uso que se le vaya a dar a la fibra óptica, el material cumplirá en más o menos medida las exigencias anteriores. Así, nos podremos encontrar desde fibras de plástico hasta fibras de vidrio con una calidad óptima. En todo caso y hablando de fibras con unas prestaciones adecuadas, la sustancia básica es generalmente el sílice de alta pureza, que al fundirse proporciona el vidrio, esencial en la construcción del núcleo. A la base de sílice se añaden boro, germanio, fósforo y aluminio, tanto en el núcleo como en el revestimiento, con el fin de controlar el perfil del índice de refracción.    Clasificación de las fibras ópticas    Atendiendo a las propiedades modales de las fibras ópticas, se les puede agrupar en dos categorías: monomodo y multimodo.    En una fibra monomodo, la luz puede tomar un único camino a través del núcleo, que suele ser sumamente fino (L < 10 µm). Las fibras multimodo tienen núcleos de diámetros mayores y permiten a la luz tomar varios caminos en su desplazamiento.    Lasfibrasópticasmonomodosonmáseficacesalargasdistancias,perorequierenmayor precisión en la fabricación, empalme y terminación.    Otraposibleclasificacióndelasfibrasópticassehaceenfuncióndelíndicederefracción, siendo de dos tipos: salto de índice e índice gradual.    Enlasfibrasdesaltodeíndice,elíndicederefracciónesuniformealolargodeldiámetro delnúcleo.Enlasfibrasdeíndicegradual,elíndicederefracciónesinferiorenlasproximidades del revestimiento que en el eje de la fibra. Las ondas luminosas se propagan ligeramente más lentas en las proximidades del eje del núcleo que cerca del revestimiento.    Agrupando las dos clasificaciones hechas para las fibras ópticas, obtenemos tres tipos básicos:      - Fibras multimodo de salto de índice.    - Fibras multimodo de índice gradual.    - Fibras monomodo de salto de índice.    En la figura 1.41. se pueden ver los tres tipos en tres aspectos fundamentales:    - Sección transversal.  - Perfil del índice de refracción según la distancia radial.  - Posibles caminos que pueden seguir los rayos de luz.
  48. 48. 1.43  Fig. 1.41.- Tipos de fibra óptica. (A) Multimodo salto de índice. (B) Multimodo índice gradual. (C) Monomodo.      Ventajas e inconvenientes de las fibras ópticas      El uso actual de fibras ópticas está muy extendido en diversos campos de la ciencia, siendo en el de las comunicaciones en el que ha alcanzado una implantación total y un óptimo desarrollo.      Las ventajas de la fibra óptica son muchas, destacando las siguientes:      - Están hechas con material no conductor de la electricidad (dieléctrico), lo cual implica las siguientes ventajas:      * Baja radiación de señal.      * Mayor seguridad de transmisión (difícil de "pinchar").      * Inmunidad a la interferencia electromagnética y de radio-frecuencia.      *Inmunidadalosrelámpagos,rayosyarcosvoltaicos.Idealparainstalacionesde      alto voltaje.      - Pequeño tamaño en lo que a diámetro se refiere, por lo cual:      * Necesita poco espacio para su canalización.      * Pocas modificaciones en las canalizaciones ya hechas.      - Baja atenuación, por lo que:      * Podrá recorrer grandes distancias con bajo número de repetidores.      * Menores costes de instalación y mantenimiento.      - Al transportar señales de tipo óptico,      * No necesitan puestas a tierra de seguridad.      * No emiten "chispas" peligrosas.      * Lo anterior permite su instalación en ambientes inflamables.
  49. 49. 1.44  - Elevado ancho de banda, lo que permite:    *Añadirnuevasseñalesenelfuturosinnecesidaddeampliarelnúmerodefibras.    Los inconvenientes de las fibras ópticas, están mayormente relacionados con el tipo de señal que utilizan, es decir, con la luz ysu dificultad para mantenerla "encerrada" en un medio. Entre los principales podemos citar:    -Elacoplamientoentrelafuenteluminosaylafibrahadeseróptimoparaevitarpérdidas de energía.    - Los empalmes entre fibras requieren una elevada precisión para no introducir excesiva atenuación en la señal.    - Los acoplos mediante conectores son extremadamente complejos en cuanto a su consecución óptima, ya que deben hacer coincidir los ejes de las dos fibras con una tolerancia mínima. Estamos hablando de diámetros que parten de unos pocos µm.    - Las derivaciones desde la línea principal han de ser llevadas a cabo mediante alta tecnología.    -Laextremafragilidaddelafibraópticahacequeloscables(conmúltiplesfibrasópticas) tengan que ser blindados, con el fin de dotarles de mayor robustez y menor radio de curvatura.    Además tendremos en cuenta qué factores irrelevantes en otros tipos de cables para la conduccióneléctrica,sonimportanteseinfluyentesenlasfibrasópticas.Asípodemoscitarcomo fuentes de atenuación en una fibra las siguientes:      - Variación en el espesor del revestimiento.    - Rugosidad en la superficie de contacto núcleo-revestimiento.    - Micro-curvas (alabeos).    - Impurezas en el material.    - Etc.    Aplicaciones de las fibras ópticas    Tras todo lo comentado, podrá apreciarse que son innumerables las aplicaciones de las fibras ópticas en sustitución de los convencionales cables metálicos y, como es lógico, muchas de ellas abarcan los más variados campos, además del ya citado de las telecomunicaciones. El ahondar en todas las aplicaciones de las fibras ópticas nos llevaría a una amplitud del tema que no es lo pretendido en esta exposición, por tanto, hagamos un somero repaso de estas.    - Sensor de temperatura: se basan en los cambios de los índices de refracción que experimentan las fibras al ser sometidas a cambios de temperatura.    -Sensoracústicointerferométrico:unamismafuenteluminosaseaplicaadosfibras,una de referencia y alejada del lugar donde se producirán los sonidos; otra sometida a las compresiones acústicas. Estas compresiones motivarán una distorsión en la fibra y alterarán su

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