TRANSDUCTORES Y SENSORES - de El Salvador - Facultad de Ingeniera Y Arquitectura - Escuela de Ingeniera Elctrica - Instrumentacin Electrnica I UNIDAD III

Download TRANSDUCTORES Y SENSORES -   de El Salvador - Facultad de Ingeniera Y Arquitectura - Escuela de Ingeniera Elctrica - Instrumentacin Electrnica I UNIDAD III

Post on 06-Feb-2018

214 views

Category:

Documents

1 download

Embed Size (px)

TRANSCRIPT

  • Universidad de El Salvador - Facultad de Ingeniera Y Arquitectura - Escuela de Ingeniera Elctrica - Instrumentacin Electrnica I UNIDAD III - SENSORES Y TRASNDUCTORES

    1

    TRANSDUCTORES Y SENSORES Una definicin posible de Transductor es "un dispositivo sobre el que acta potencia desde un sistema y que suministra potencia, usualmente en otra forma a un segundo sistema". Desde el punto de vista de la energa existen dos clases de Transductores, activos y pasivos. Un Transductor pasivo, o auto generativo es uno que tiene una entrada y una salida (dos puertos de energa). Toda la energa elctrica de salida, se deriva de la entrada fsica. Puesto que la salida elctrica, est limitada por la entrada fsica, tales Transductores tienden a exhibir un bajo contenido energtico de salida. Un Transductor activo tiene una entrada fsica, una salida elctrica, y una entrada de excitacin elctrica (i.e. tres puertos de control). Con los Transductores activos existe un grado adicional de libertad, aunque dependan en ltima instancia de las propiedades fundamentales de los materiales al igual que los transductores pasivos, la excitacin puede ser usada para producir un nivel de salida aumentado, pero sin embargo hay compromisos..

    Considere por ejemplo un circuito detector de temperatura simple basado en una resistencia (figura 1) La corriente I, desarrolla entre los terminales de R- que cambia predeciblemente con la temperatura- un pequeo voltaje. Para una resolucin exacta de cambios pequeos de temperatura, con cambios correspondientes tambin pequeos, sera til aumentar I. Por ejemplo, si I, se incrementa diez veces, entonces la resolucin incrementara en la misma medida. Sin embargo, un incremento de diez veces en la corriente aumenta en cien la disipacin. Cuando I es suficientemente grande, la potencia disipada en R causar por si misma un aumento perceptible de temperatura, introduciendo un error de medicin.

    C%.

    TR/R

    =

    10

    C%.

    TR/R

    =

    10

  • Universidad de El Salvador - Facultad de Ingeniera Y Arquitectura - Escuela de Ingeniera Elctrica - Instrumentacin Electrnica I UNIDAD III - SENSORES Y TRASNDUCTORES

    2

    Una solucin posible a este problema, sera usar una corriente pulsante 101, usando pulsos rectangulares exactos con un duty cycle del 1 % a una frecuencia que es alta comparada a la respuesta trmica del dispositivo. La disipacin promedio sera la misma que para una 1 continua, pero los pulsos muestreados produciran una mejora de 10 en la resolucin. Este ejemplo se trae a colacin no como una tcnica especfica, sino como una demostracin del grado de libertad disponible para el diseador para obtener un funcionamiento mejorado va modificaciones a los parmetros circuitales del la circuitera del Transductor activo.

    INTRODUCCIN A LOS TRANSDUCTORES DE TEMPERATURA

    La temperatura es probablemente el parmetro fsico ms comn y fundamental que un ingeniero debe medir. La relacin intima entre procesos- fsicos, qumicos y biolgicos- y la temperatura, como un indicador de estado, es una consideracin primaria, desde el nivel molecular basta el sistema completo. En electrnica, ningn otro parmetro fsico es tan persistente en su influencia sobre circuitos y sistemas como la temperatura. Entre los Transductores que sern discutidos en este curso se incluyen los de expansin trmica (elementos bimetlicos e interruptores de columna de mercurio), de Voltaje Seebeck (termopares), de efectos resistivos (RTD y termistancias), y diodos de unin semiconductora (diodos y dispositivos con corriente de salida proporcional a la temperatura absoluta, tales como al AD590).

    El switch trmico bimetlico es quizs el ms elemental de los Sensores elctricos. Dispositivos de este tipo utilizan metales con coeficientes trmicos de expansin diferentes para abrir o cerrar fsicamente un contacto elctrico a una temperatura preestablecida, Ejemplos comunes son los Sensores en termostatos usados' para calentamiento, ventilacin, y sistemas de acondicionamiento de aire, Los elementos bimetlicos en forma de disco se usan para producir accin de contacto (figura 2), Este tipo de dispositivo funciona bien desde temperaturas en el rango sub-cero hasta casi 300C. Los contactos existen una variedad de formas y son capaces de manejar la conmutacin, de circuitos secos de baja-corriente tambin como corrientes de hasta. 1 .5 amperios. Adems, se puede especificar la histresis del punto de funcionamiento (para conseguir insensibilidad frente a pequeas variaciones de temperatura), y los dispositivos son baratos.

    SALIDA A CIRCUITO

    ELECTRICOCONTACTOS

    NORMALMENTE CERRADOS O ABIERTOS

    BIMETALICO DISCO

    Figura 2. El disco bimetlico se mover a la posicin indicada por las lneas punteadas a la temperatura de transicin

  • Universidad de El Salvador - Facultad de Ingeniera Y Arquitectura - Escuela de Ingeniera Elctrica - Instrumentacin Electrnica I UNIDAD III - SENSORES Y TRASNDUCTORES

    3

    Aunque la masa de estas unidades provoca una respuesta trmica lenta, sus caractersticas son adecuadas para muchas aplicaciones de control en las que la temperatura cambia lentamente. Estos dispositivos son populares como sensores de lmite de temperatura. Entre los fabricantes ms conocidos se puede mencionar a Elmwood Sensors, y a Texas lnstruments' Klixon Division.

    Los Termopares son econmicos y robustos. Adems exhiben buena estabilidad de largo plazo. Debido a su tamao (pequeo), responden rpidamente y son una buena opcin cuando la respuesta rpida es importante. Funcionan sobre una rango de temperatura que va desde los niveles criognicos hasta los niveles encontrados en los motores de propulsin y tienen linealidad y exactitud razonables.

    Debido a que el nmero de electrones libres en una pieza de metal depende de la temperatura y de la composicin del metal, dos piezas de metales diferentes puestas en contacto isotrmico exhibirn una diferencia de potencial que es una funcin repetitiva de la temperatura. En general dichos voltajes son pequeos. La tabla 1 muestra un grupo de termopares standard, su rango de temperatura til, y la variacin de voltaje sobre ese rango. Puede apreciarse que el cambio promedio del voltaje con la temperatura vara de 7 hasta casi 75 uV/C.

    Puesto que cada par de metales diferentes que son puestos en contacto forman un termopar (incluyendo la unin cobre-soldadura, de casi 3uV/C, y la unin KovarRhodium), y puesto que adems un circuito elctrico til requiere al menos dos contactos en serie, las mediciones con termopares deben ser realizadas de modo que se minimicen las contribuciones indeseables de termopares incidentales y que se establezca una referencia adecuada (de temperatura). TABLA 1. ALGUNOS TERMOPARES COMUNES

    Materiales de la Unin Rango til tpico (C)

    Variacin de Voltaje (mV)

    Designacin ANSI

    Platino 6% Rhodium- Platino 30 % Rhodium 38 a 1800 13.6 B Tugsteno 5% Rhedium-Tugsteno 26% Rhedium 0 a 2300 37.0 C

    Chromel-Constantan 0 a 982 75.0 E Hierro-Constantan -184 a 760 50.0 J Chromel-Alumel -184 a 1260 56.0 K

    Platino-Platino 13% Rhodium 0 a 1593 18.7 R Platino-Platino 10% Rhodium 0 a 1538 16.0 S

    Cobre-Constantan -184 a 400 26.0 T La figura 3 es un grfico comparativo de la salida de termopares como funcin de la temperatura, referida a una unin de referencia a una temperatura fija de OC. La figura 4 muestra el gran nmero de posibles termopares en un simple circuito serie.

  • Universidad de El Salvador - Facultad de Ingeniera Y Arquitectura - Escuela de Ingeniera Elctrica - Instrumentacin Electrnica I UNIDAD III - SENSORES Y TRASNDUCTORES

    4

  • Universidad de El Salvador - Facultad de Ingeniera Y Arquitectura - Escuela de Ingeniera Elctrica - Instrumentacin Electrnica I UNIDAD III - SENSORES Y TRASNDUCTORES

    5

    Debido a que los termopares son dispositivos de bajo nivel, el acondicionamiento de seal no es una tarea trivial. Las seales de niveles de milivoltios, claman por electrnica relativamente, costosa de baja deriva si se requieren resoluciones menores a un grado C. La linealidad en varios tipos [de termopar] es muy pobre, pero las relaciones 'son predecibles y repetibles, de manera que se pueden emplear tcnicas analgicas o digitales para linealizar.

    Proporcionar una referencia de temperatura adecuada y minimizar el efecto del los termopares indeseables puede resultar un gran reto. Las tcnicas incluyen referencias fsicas celdas de punto-de-hielo a +0.01C las cuales son exactas y fciles de construir; pero de mantenimiento imprctico); uniones de referencia a temperatura ambiente (aceptables en tanto que la temperatura ambiente en las cercanas de la unin de referencia sea menor que la resolucin deseada de la temperatura siendo medida); y compensadores electrnicos de la unin fra, los cuales producen un nivel de referencia artificial y compensan las variaciones de temperatura ambiente en la proximidad de la unin de referencia.

    El RTD (Resistance Temperature Detector) es un elemento de circuito elctrico consistente en un conductor slido, usualmente en la forma de alambre, caracterizado por un coeficiente positivo de resistividad. Platino, nquel y aleaciones hierro-nquel son los tipos ms usados. En general los RTD son dispositivos no lineales, de bajo nivel, potencialmente con excelente estabilidad y exactitud, cuando se usan apropiadamente. La tabla 2 compara varios tipos de materiales RTD. TABLA 2. CARACTERISTICAS DE MATERIALES USADOS COMNMENTE EN RTDS

    Material Rango de Temperatura C TC%/C @ 25C Platino -200 a 850 0.39 Niquel -80 a 320 0.67 Cobre -200 a 260 0.38

    Niquel-Hierro -200 a 260 0.46 Los RTD de platino han sido reconocidos generalmente como el Standard de exactitud y repetibilidad en un sensor de temperatura; estos los dispositivos de interpolacin Standard entre temperaturas crtic