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Escuela Técnica Superior de Ingenieros de TelecomunicaciónUniversidad de Las Palmas de Gran Canaria

TRANSDUCTORESGENERADORES

Juan A. Montiel-Nelson

17/10/2004 Transductores Generadores 2

Indice

Introducción a los Transductores Generadores.Termopares.Transductores Piezoeléctricos.Transductores Piroeléctricos.Transductores Fotovoltaicos.Transductores Electroquímicos.


Introducción

Introducción a los Transductores Generadores.– Principios Generales

• Se considera transductor generador aquellos que generan una señal eléctrica a partir de la magnitud que miden, sin necesidad de una alimentación eléctrica

• Dado que se basan en efectos reversibles, están relacionados condiversors tipos de accionadores o aplicaciones inversas en general

– Efectos Inadvertidos como Fuente de Interferencias.• Algunos de los efectos que se describen aquí pueden producirse

inadvertidamente en los circuitos, y ser así fuentes de interferencias– Fuerzas termoelectromotrices– Vibraciones en cables con determinados dieléctricos– Potenciales galvánicos en soldaduras o contactos


Termopares

Fundamento de los Efectos Termoeléctricos.– Se basan en dos efectos

• A diferencia del efecto Joule son reversibles• Efecto Seebeck

– En un circuito de dos metales distintos, con dos uniones a diferente temperatura, aparece una corriente eléctrica.

• Efecto Peltier– Consiste en el calentamiento o enfriamiento de una unión entre

dos metales distintos al pasar corriente por ella


Termopares

Efecto Seebeck– Conversión de energía térmica a energía eléctrica– Diferencia de potencial

• Depende de los metales, de la diferencia de temperaturas entre las uniones

• SA,B no es constante y depende de T, y suele crecer al aumentar T• La f.t.e.m depende sólo de la diferencia de temperatura entre las

uniones de los metales

;,, BA

BABA SS

dTdE

S −==


Termopares

Efecto Peltier– Descripción

• Consiste en el calentamiento o enfriamiento de una unión entre dos metales distintos al pasar corriente por ella

• Efecto reversible– El hecho de que el calor intercambiado por unidad de superficie

de la unión sea proporcional a la corriente y no a su cuadrado, marca la diferencia respecto al efecto Joule

( ) ;,, ABABBA SST Π−=−=Π


Termopares

Efecto Thompson– Descripción

• Absorción o liberación de calor por parte de un conductor homogéneo con temperatura no homogénea por el que circule una corriente

( );2 dxdTiriq σ−=


Termopares

Efecto Seebeck-Peltier-Thompson– La energía termoelectromotriz

producida, debe coincidir con energía térmica neta transformada• f.t.e.m• Unión AB con T+∆T• Unión BA con T

– Efecto Seebeck• Calor absorbido en la

unión caliente AB (T+∆T), ΠAB(T+∆T)

• Calor liberado en la unión fría BA (T), -ΠABT

– Efecto Thompson• Calor liberado en A, -σA

∆T• Calos absorbido en B,

σB ∆T– Efecto Seebeck es el resultado de

los efectos Peltier y Thompson

( ) ( ) ( )( );

;

ABABAB

ABABABAB

dTddTdETTTTTdTdE

σσσσ

−+Π=∆−+Π−∆+Π=∆


Termopares

Limitaciones– Temperatura de fusión de la unión– Intensidad de corriente del circuito– Temperatura de la unión de referencia– Linealidad

• Interesa que C2 sea muy pequeño• Termopar cobre-constantan

– Ventajas• Gran rango de temperaturas [-270ºC,3000ºC]• Estabilidad y Fiabilidad• Mayor exactitud que las RTD• Baja Inercia Térmica• Robustez, Simplicidad y Flexibilidad

( ) ( );22212211 TTCTTCEAB −+−≈

( ) ( ) );(045,01,62 22

2121 VTTTTEAB µ−−−≈


Termopares

Materiales y modelos comerciales– En la uniones interese tener

• Resistencia elevada• Coeficiente de temperatura débil• Resistencia a la oxidación• Linealidad lo mayor posible

– Cromel (90% Ni, 10% Cr)– Alumel (76% Ni, 20% Al, 3% Mn, 1% Si)– Modelos según tipos de uniones


Termopares

Materiales y modelos comerciales– Modelos según tipos de uniones


Termopares

Materiales y modelos comerciales– Termopar industrial

• 1. Conductores• 2. Unión de medida• 3. Unión de referencia• 4. Hilos de termopar sin aislar• 5. Hilos de termopar aislados• 6. Cables de extensión

– iguales a los del termopar• 7. Cables de compensación

– Diferentes de los del termopar pero con f.t.e.m pequeña

• 8. Caña pirométrica• 9. Cabeza de la caña


Termopares

Cuadro de carácterísticas


Termopares

Distintos tipos según la aplicación– A) unión soldada en extremos– B) unión soldada en paralelo– C) hilo trenzado– D) termopar expuesto:

respuesta rápida– E) termopar encapsulado:

aislamiento eléctrico y ambiental

– F) termopar unido a la cubierta: aislamiento ambiental


Transductores piezoeléctricos

Efecto piezoeléctrico– Fundamento

• EL efecto piezoeléctrico consiste en la aparición de una polarización eléctrica en un material al deformarse bajo la acción de un esfuerzo

• Es un efecto reversible– Al aplicar una diferencia de poencial eléctrico entre dos caras de

un material piezoeléctrico aparece una deformación• No confunfirlo con la ferroelectricidad

– Propiedad de presentar un momento eléctrico dipolar(espontáneo o inducido)

• Todos los materiales ferroeléctrico presenta piezoelectricidad, no al revés



Expresiones del efecto piezoeléctrico– Para material dieléctrico no piezoeléctrico

• Al aplicar una fuerza F, según la lay de Hooke en el margen elástico aparece una deformación

• Al aplicar una diferencia de potencial entre placas, creándose un campo eléctrico E

)( ;; ETsS σε =•=

PEED +== 0• εε



Expresiones del efecto piezoeléctrico– Para una material piezoeléctrico unidireccional

• Con campo esfuerzo, etc.. En la misma dirección, de acuerdo con el principio de conservación de la energía, a baja frecuencia (camopscuasiestáticos) se cumple



Expresiones del efecto piezoeléctrico– Para una material piezoeléctrico

unidireccional• Con campo esfuerzo, etc.. En la

misma dirección, de acuerdo con el principio de conservación de la energía, a baja frecuencia (camopscuasiestáticos) se cumple:– Permitividad a esfuerzo

constante– Compliaciancia a campo

constante– Coeficiente piezoeléctrico de

carga o constante piezoeléctrica

• Aparece una deformación debida también al campo eléctrico y una carga eléctrica debida al esfuerzo mecánico– Las cargas desplazadas en el

interior del material inducen en las placas cafrgassuperficiales de polaridad opuesta

D d T ET= +• •ε

EdTsS E '•• +=

;/;1;/;///

EEEE

TTTT

SdeEeScSs

EsdT

dgTgDdTDE

=•−•=+−=

=•−=•−= εεεε



Expresiones del efecto piezoeléctrico– Coeficiente de acoplamiento mecánico

• Raiz cuadrada del cociente entre la energía disponible a la salida y la energía almacenada, a frecuencias muy inferiores a la resonanciamecánica

• Adimensional

k d sT E2 2= ε



Materiales piezoeléctricos• Las propiedades piezoeléctricas se manifiestan en 20 de las 32 clases

cristalográficas, aunque en la práctica se usan sólo unas pocas, y también en materiales amorfos ferroeléctricos

• De aquellas 20 clases, sólo 10 tienen propiedades ferroeléctricas



Materiales piezoeléctricos• Las propiedades piezoeléctricas se manifiestan en 20 de las 32 clases

cristalográficas, aunque en la práctica se usan sólo unas pocas, y también en materiales amorfos ferroeléctricos

• De aquellas 20 clases, sólo 10 tienen propiedades ferroeléctricas– Naturales

• Cuarzo y turmalina– Artificiales

• Cerámicas piezoeléctricas



Limitaciones– Fuga de carga– Resonancia– Sensibilidad a la temperatura– Temperatura de curie– Alta impedancia de salida



Ventajas– Sensibilidad– Rigidez mecánica



Aplicaciones– Disposiciones a baja frecuencia



Aplicaciones



Cuadro de características– Carácterísticas del transductor de presión piezoeléctrico

modelo 112A



Cuadro de características– Carácterísticas del acelerómetro piezoeléctrico, modelo 508

com preamplificador interno


Transductores piroeléctricos

Efecto piroeléctrico• Es análogo al piezoeléctrico, pero en lugar de la parición de cargas

eléctricas cuando se deforma un material, aquí se trata de la aparición de cargas superficiales en una dirección determinada cuando el material experimenta un cambio de temperatura

• Se debe al cambio de polarización espontánea al variar la temperatrura

Expresiones– Polarización espontánea– Carga inducida en placas del condensador piroeléctrico

∆P p T= •

∆ ∆ ∆Q A P pA T= =•



Expresiones– Sensibilidad en tensión

• Responsividad

– Sensibilidad en corriente• Responsividad

)( ( )Rp

C AVWv

E

=+

−αε

τ

ω τ

.. /

1 2 2 1 21

)( ( )Rp

C bAWi

E

=+

−α ωτ

ω τ

./

1 2 2 1 21



Materiales piroeléctricos– Lineales

• Turmalina• Sulfato de Litio• Sulfuros de Cadmio y Selenio

– Ferrorléctricos• Tantalato de Litio• Niobato de Estroncio y Bario• Titanato-Circonato de plomo• Sulfato de Triglicina• Polímeros

– Polivinilideno PVF2 ó PVDF



Materiales piroeléctricos



Limitaciones– Ruido térmico– Temperatura de Curie– Ambientes contaminantes– Cargas parásitas

Ventajas– Inercia térmica



Aplicaciones– Pirómetros– Radiómetros– Analizadores de IR– Detectores de intrusos– Detección de Pulsos Láser de Alta Potencia– Termómetros de Alta Resolución


Transductores fotovoltaicos

Efecto fotovoltaico– Descripción

• El efecto fotoeléctrico interno visto para los fotoconductores cuando se produce en la zona de una unión PN permite la obtención de una tensión eléctrica que es función de la intensidad de la radiación incidente

• A la generación de un potencial cuando una radiación ionza una zona donde hay una barrera de potencial se la denomina efecto fotovoltaico



Efecto fotovoltaicoLimitaciones frente a los LDR– Requieren amplificación

Ventajas frente a las fotorresistencias– Linealidad– Velocidad de respuesta– Ruido



Materiales– Los mismos materiales que las fotorresistencias

Aplicaciones– Medida de luminosidad– Medidas indirectas



Cuadro de características


Transductores electroquímicos

Transducción potenciométrica– Descripción

• Algunos transductores electroquímicos, denominados potenciométricos, generan una señal eléctrica (una diferencia de potencial) en respuesta al cambio de concentración de una determinada especie química en una muestra.

• Otros se basan en la dependencia entre la corriente que circula al aplicar una diferencia de potencial entre dos electrodos y la concentración de la sustancia de interés– Transductores amperométricos

– ISE (Ion Selectiva Electrodes)• Los transductores potenciométricos selectivos de ion se basab en la aparición

de una diferencia de potencial en la interfase enter dos fases con concentraciones distintas, que es el fundamento de las pilas fotovoltaicas

• Cuando sólo hay una especie iónica cuya concentración cambia de una a otra fase, o si, a pesar de haber más de una, una membrana selectiva sólo deja pasar un ión específico, la tendencia de dicho ion a difundirse de la zona más concentrada a la de menor concentración viene contrarrestada por la aparición de un potencial eléctrico debido a la carga eléctrica del ion



Transducción potenciométrica– Ecuación de Nernst

• Ci concentración de la especie i• Fi es el coeficiente de actividad

– Describe el grado en que el comportamiento de la especia i se aparta del comportamiento idela, en el que se supone que cada iones independiente de los demás

– Concentración alta• Deja de ser cierto y fi <

1– Concentración muy diluidas

• fi≈1

;

;ln2,

1,

iii

i

i

fCaaa

zFRTE

=

=



Transducción potenciométrica

;logln 00 ii akEazFRTEE +=+=



Transducción potenciométrica– Cuando lo que interesa no es la actividad iónica sino la

concentración

;log;loglog

0

0

i

ii

akEECkfkEE

+′=++=



Materiales– Primarios o de membrana simple

• Cristalinas– Homogénea– Heterogénea

• Mezcla con una matriz inerte– Medida de iones

• F-, Cl-, Br-, I-, Cu2+, Pb2+ y Cd2+

• No cristalinas– Membraba de vidrio

• Determinación de pH y actividad de Na+

– Doble membrana• Electrodos de gases

– Cambio del pH– Medida de concentraciones

• CO2, SO2 y NO2

– Impedancia de salida• Muy alta para electrodos específicos [20MΩ, 1GΩ]• Amplificadores electrométricos



Limitaciones– Impedancia de salida

• Muy alta para electrodos específicos [20MΩ, 1GΩ]• Amplificadores electrométricos

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