06 transductores
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tranductoresTRANSCRIPT
Transductores
TRANSDUCTORVariable medida Salida eléctrica
Excitación
Diagrama en bloques de un transductor
Características y propiedades de los transductores
• Propiedad captable
• Principio de detección
fuente infrarroja
mezcla de aire respiratorio
* oxígeno* nitrógeno* vapor de agua
detector de rayosinfrarrojos
Detección del dióxido de carbono en la mezcla de aire respirado
El margen de entrada de un elemento se especifica con los valores mínimo y máximo de la entrada (I) es decirle valor de Imin a Imax. El alcance de salida se especifica con los valores mínimo y máximo de la salida (O) es decir los valores Omin a Omax.
Así un transductor de presión puede tener un alcance de entrada de 0 a 10000 pascales y un alcance de salida de 4 a 20 mA;
Un termopar un alcance de entrada de 100 a 250 C y un alcance de salida 4 a 10 mV.
Características estáticas
Margen, Alcance (Range)
Estas permiten obtener una relación directa punto a punto de la señal de salida en función de la entrada.
Características estáticas
Curva de Calibración
Se dice que un elemento es lineal si los valores correspondientes de I y O están sobre una línea recta. La línea recta ideal conecta el punto mínimo A (Imin , Omin) con el punto máximo B (Imax , Omax) La ecuación de la línea recta es:
Características estáticas
)( minminmax
minmaxmin II
II
OOOO
aKIOIdeal
minmax
minmax
II
OOK
Linealidad
Es la mínima variación de la señal de entrada que es detectada a la salida.
Características estáticas
Sensibilidad
Características estáticas
100H%minmax
OO
OO
HistéresisHabilidad que tiene u transductor De producir una salida que siga a la entrada independienteDe la dirección de cambio en la entrada
Pasivos: Ellos mismos son capaces de entregar la señal necesaria para ser medida e interpretada por el acondicionador.
Activos: Estos requieren una alimentación externa para poder generar la señal que será medida por el acondicionador.
Clasificación de los transductores (Según sus Características Eléctricas)
Transductor Pasivo
Variable física
Transductor Activo
Variable física
Clasificación de los transductores (Atendiendo a su aplicación)
• Transductores de desplazamiento,
• Transductores de temperatura,
• Transductores de presión,
• Transductores de esfuerzo,
• Transductores de humedad,
• Transductores de flujo,
• Etc.
Sensores de desplazamiento(Tabla comparativa)
Michael R. Neuman. Physical Measurements. The Biomedical Engineering HandBook.. Ed. J. D. Bronzino by CRC Press LLC. 2000.
Michael R. Neuman. Physical Measurements. The Biomedical Engineering HandBook.. Ed. J. D. Bronzino by CRC Press LLC. 2000.
Resistencia variable
Galga extensométrica
Transformador diferencial con variación lineal
Sensor capacitivo Sensor ultrasonido por tiempo de tránsito
• Resistivos: Potenciómetros, galgas extensiométricas, termoresistencias y termistores.
• Inductivos: por cambio de reluctancia (RVT), acoplamiento magnético (LVDT) o por modificación de permeabilidad por tensión mecánica (efecto magnetoelastico o magnetostricción)
• Capacitivos: por cambio de dimensión de las placas capacitivas o por modificación del dieléctrico entre las placas.
• Térmicos: Producen energía al someter dos metales unidos en un extremo a una temperatura diferente al extremo de medición. Basados en el efecto de Peltier, Seebeck y Thomson.
• Piezoeléctricos: producen una tensión eléctrica al ser sometidos a una presión mecánica.
• Semiconductores: Pueden utilizarse para medir temperatura debido a que su voltaje cambia alrededor de 2 mV/C, obteniéndose un transductor de respuesta rápida.
• Fotoeléctricos: Foto-emisores, la radiación causa que los electrones sean emitidos desde la superficie del cátodo. Fotoconductores, la resistencia del material es cambiada al ser iluminada. Fotovoltaicos, se genera un voltaje de salida proporcional a la intensidad de la radiación.
• Químicos:• Biosensores:
Clasificación de los transductores (Según su principio de funcionamiento)
Galgas extensométricas
Propiedades de materiales usados para construir galgas extensométricas
Material Composición % Factor de Galga Coeficiente de temperatura de la resistividad
(C-1-10-5)
Constantan Ni45, Cu55 2.1 2
Isoelastic Ni36, Cr8
(Mn, Si, Mo)4
Fe52
3.52 a 3.6 +17
Karma Ni74, Cr20, Fe3
Cu3
2.1 +2
Manganin Cu84, Mn12, Ni4 0.3 a 0.47 2
Alloy 479 Pt92, W8 3.6 a 4.4 +24
Níquel Pure -12 a -20 670
Nicromo V Ni80, Cr20 2.1 a 2.63 10
Silicón (tipo p) 100 a 170 70 a 700
Silicón (tipo n) -100 a -140 70 a 700
Germanium (tipo p) 102
Germanium (tipo n) -150
Galga extensométrica
l + l
l
A + A l l
A A
A
A
lR
AA
llRR
AA
llRR
Compresión
Tensión
Normal
F
F
Galga Activa
Dirección del esfuerzo
R4 R4
Tout VRR
R
RR
RV
43
4
21
2
El puente de Weatstone y las galgas extensométricas
R
VS
out
Galga de
Compensación
R3
Michael R. Neuman. Physical Measurements. The Biomedical Engineering HandBook.. Ed. J. D. Bronzino by CRC Press LLC. 2000.
Compensación de temperatura
Si R1= R + R y R4= R3= R2= R
)2(2
)2(222
RR
V
R
V
VRR
RV
R
R
RR
RV
o
o
Es decir se usa 1 galga extensométrica , en un brazo del puente, entonces:
como 2RR,
R
V
R
Vo
4
Si R1= R + R y R4= R3= R R2= R R
R
V
R
V
VR
RV
R
R
R
RRV
o
o
2
222
Es decir se usan 2 galgas extensométricas , al mismo lado del puente, entonces:
Si R1= R4= R + R y R2= R3= R R
R
V
R
V
VR
RV
R
RR
R
RRV
o
o
22
Es decir se usan 4 galgas extensométricas , una en cada brazo del puente, entonces:
Ejemplo• Un puente de Wheastone tiene R1=
100Ω;R2=40Ω;R3=500Ω, V= 10 V; y una resistencia de galvanómetro = 600 Ω. Calcular: a) valor de Rx cuando el puente esta balanceado y b), si el valor de Rx cambia en +2Ω en relación de su valor de equilibrio, Calcúlese la corriente que circulará por el galvanometro.
Errores en el puente
• Discrepancias entre los valores de resistencia reales y los declarados en los resistores conocidos,(se puede calcular el error partiendo de las tolerancias)
• Cambios en los resistores conocidos, debido al auto calentamiento
• Tensiones térmicos en el puente o en el galvanómetro originados por diferentes materiales en contacto a temperaturas ligeramente diferentes
• Error en el punto de equilibrio, causado por la falta de sensibilidad del galvanómetro.
• Resistencias de las puntas de prueba y de los contactos, cuando se hacen mediciones de baja resistencia.
El esfuerzo (strain) S se define como:
l
lS
l
lR
R
G
Y el factor de galga es:
El stress o presión requerida para duplicar el largo de un cuerpo es conocido como “módulo de Young”
l
lMP
][ 2m
NM
Galga extensométrica desoldada
Cable eléctrico
Diafragma
Conexiones del fluido
Fluido
Galga Extensométricadesoldada
V
Vo
G
MP
VR
RVo
R
R
G
MP
l
lR
R
G
l
lMP
La presión sobre un arreglo de galgas puede calcularse como:
y como
es el factor de galgaque sustituido en (I)
(I)
conduce a:
(II)
y si el desbalance del puente de 4 galgas
Se sust. En (II)
Se obtiene la presión como función lineal del desbalance del puente
Medición de Capacitancia e Inductancia
• Métodos Indirecto: Inexacto.
• Métodos de puente Exactos.
Circuitos puente para medir capacitancia
• Modo Balance:
• Zx*Z1=Z2*Z3
• Se sustituyen las resistencias del puente por impedancias Z de naturaleza resistiva y reactiva, se aplica una tensión alterna
• Z=R+jXc
Circuitos puente para medir capacitancia
• Modo Balance:
• Zx=Z2Z3/Z1
• Modo Balance: Para lograr la condición cero , es necesario especificar dos condiciones que se igualen: Una para la parte resistiva de Zx y una para la parte reactiva Xc.
• Zx=Rx+jXcx
Zx= Re (Z2Z3/Z1) + Im (Z2Z3/Z1)
Circuitos puente para medir capacitancia
• Modo Balance Serie :
• Modo Balance Paralelo :
• Rx=R2C1/C3 • Cx=R1C3/R2
Otros Circuitos Puente
Puente de maxwell Puente de Hay
Catéter con transductor de presión
barra de contacto
leva
resistenciaalambrada
circuito equivalente
A
B
WW
A B
Transductor resistivo de desplazamiento
Sumadores de fuerza
Transductor Capacitivo
dkA
C 0
placa fija
placa móvil
a) circular
cilindro fijo
cilindro móvil
b) linear
diafragmadieléctrico
placa estática
c) diafragma
Transductores capacitivos
Transductor inductivo
E
Eo
secundarios
núcleo variable
P
S
S
A
B
V
*
*
1
2
in o
Transformador diferencial variable lineal
entrada
diafragma
colector
cristal base
Vo
Elementos de un transductor piezoeléctrico
Características operativas.
• Exactitud • Intercambiable• Mínimo corrimiento con la variación de
temperatura. (Drift)• Estabilidad temporal• Reproducir la salida en ambientes extremos de
humedad, temperatura, choque o vibración.• Proveer una señal compatible con el
acondicionador de señal.• Ser robusto y simple, de modo de ser usado por
personal sin experiencia.
Criterios para la selección de transductores
Magnitud a Medir Características Ambiente
Margen de medida Margen de temperatura
Resolución Humedad
Exactitud deseada Vibraciones
Estabilidad Agentes químicos
Ancho de banda Atmósfera explosiva
Tiempo de respuesta Entorno electromagnético
Limites absolutos de la magnitud a medir
Magnitudes interferentes
Características de salida
Características de Alimentación
Sensibilidad Tensión
Tipo: tensión, corriente, frecuencia
Corriente
Salida señal: unipolar, flotante, diferencial
Frecuencia (en caso de alterna)
Impedancia (I/O) Potencia disponible
Destino: analógico, digital, telemetría
Estabilidad
Otros factores para la selección del sensor
Peso Longitud de cable necesario
Dimensión Tipo de conector
Vida media Situación en caso de fallo
Precio de compra Costo de mantenimiento
Disponibilidad Consto de instalación
Tiempo de Instalación Costo de sustitución
Tendencias actuales del diseño de los transductores
• Transductor y acondicionador de señal en un solo dispositivo.
• Reducir costo y tamaño
• Sensores digitales (pulso de salida), directamente compatible con el computador.
• Inteligencia asociada a ellos mismos y el proceso