Blog Educativo: Transductores Eléctricos

QUE ES UN TRANSDUCTOR

Es un dispositivo sobre el que actúa potencia desde un sistema y que suministra potencia, usualmente en otra forma a un segundo sistema. Desde el punto de vista de la energía 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 energía). Toda la energía eléctrica de salida, se deriva de la entrada física. Puesto que la salida eléctrica, está limitada por la entrada física, tales Transductores tienden a exhibir un bajo contenido energético de salida.

Un Transductor activo tiene una entrada física, una salida eléctrica, y una entrada de excitación eléctrica (i.e. tres puertos de control). Con los Transductores activos existe un grado adicional de libertad, aunque dependan en última instancia de las propiedades fundamentales de los materiales al igual que los transductores pasivos, la excitación 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 pequeño voltaje. Para una resolución exacta de cambios pequeños de temperatura, con cambios correspondientes también pequeños, sería útil aumentar I.

Por ejemplo, si I, se incrementa diez veces, entonces la resolución incrementaría en la misma medida. Sin embargo, un incremento de diez veces en la corriente aumenta en cien la disipación. Cuando I es suficientemente grande, la potencia disipada en R causará por sí misma un aumento perceptible de temperatura, introduciendo un error de medición.

Una solución posible a este problema, sería 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 térmica del dispositivo. La disipación promedio sería la misma que para una 1 continua, pero los pulsos muestreados producirían una mejoría de 10 en la resolución.

Este ejemplo se trae a colación no como una técnica específica, sino como una demostración del grado de libertad disponible para el diseñador para obtener un funcionamiento mejorado vía modificaciones a los parámetros circuitales de la circuitería del Transductor activo.

TRANSDUCTOR DE PRESIÓN

Un transductor de presión convierte la presión en una señal eléctrica analógica. Aunque hay varios tipos de transductores de presión, uno de los más comunes es el transductor extensométrico.

La conversión de la presión en una señal eléctrica se consigue mediante la deformación física de los extensómetros que están unidos en el diafragma del transductor de presión y cableados en una configuración de puente de Wheatstone.

Un ejemplo práctico es el presostato que utilizan los compresores de aire y que al calibrarlos a cierta presión mandan señales eléctricas o cierran algunos contactos (platinos) para encender el compresor si la presión está por debajo del valor o mandan parar cuando llegue a la presión máxima, estos dispositivos son generalmente de construcción electromecánica.

TRANSDUCTOR DE FLUJO

Los transductores de flujo, también conocidos como de caudal, recogen las velocidades de flujo de aire o líquidos. Los sensores de caudal usan diferentes principios de medición. Mediante la velocidad del flujo las unidades de análisis calculan el caudal o determina mediante un contador la cantidad corrida.

Cuando se quiere medir un flujo, se usan transductores cuando el tipo de medición es mediante ultrasonido. Este tipo de medición puede ser de dos maneras:

Doppler: este mide los cambios de frecuencia causado por los cambios del líquido. Se colocan dos sensores cada uno a un lado del flujo a medir y se envía una señal de frecuencia conocida a través del líquido. Sólidos, burbujas y discontinuidades en el líquido harán que el pulso enviado se refleje, pero como el líquido que causa la reflexión se está moviendo la frecuencia del pulso que retorna también cambia y ese cambio de frecuencia será proporcional a la velocidad del líquido.

El transductor en este caso es el sensor, porque mediante convierte la energía en una señal eléctrica que se proyectará en el display.

Tránsito: tienen transductores colocados a ambos lados del flujo. Su configuración es tal que las ondas de sonido viajan entre los dispositivos con una inclinación de 45 grados respecto a la dirección de flujo del líquido. La velocidad de la señal que viaja entre los transductores aumenta o disminuye con la dirección de transmisión y con la velocidad del líquido que está siendo medido.

TRANSDUCTORES DE TEMPERATURA

Convierten el fenómeno físico de la temperatura en una señal eléctrica normalizada, misma que es transferida a un instrumento (controlador, registrador de temperatura, tarjeta de adquisición de datos, etc). El uso de los transductores de temperatura permite, por ejemplo, que los aparatos de calefacción o climas, al alcanzar determinad temperatura en el ambiente, ya sea fría o caliente, se enciendan o se apaguen e forma automática.

En el mercado se conoce como transductores de temperatura a equipos los cuales vienen ya ensamblados de un sensor interno con una tarjeta electrónica, la cual ya da una salida linearizada la cual normalmente es de 4 a 20 mA o de 0 a 10 VCD, pero la realidad es que existen diferentes tipos de transductores de temperatura, entre los cuales podemos encontrar los siguientes:

· Termopares

· Termistores

· Sensores de IC

· Termómetros de resistencia.

TRANSDUCTORES DE HUMEDAD

Se usan en aquellos lugares donde es necesaria una precisad de la humedad del aire. Por ejemplo, los transductores de humedades se usan en laboratorios en conexión con un regulador para mantener una humedad constante en el laboratorio. Los transductores de humedad se usan también cada vez más en los sectores de calefacción, ventilación y climatización, o en cualquier otro proceso de producción donde es necesario controlar la humedad del aire.

Los transductores se suelen conectar a una unidad de control separada. Los transductores de humedad convierten la magnitud física de humedad del aire en una señal normalizada, que la transfiere a un sistema de control. Esto permite por ejemplo generar una alarma o apagar un sistema de ventilación al superar un valor máximo o mínimo predefinido.

TRANSDUCTORES DE SONIDO

Los transductores de sonido se usan en aquellos lugares donde es necesario controlar el nivel continuo sonoro. Sin importar si necesita controlar rangos críticos en la producción o grandes actos, los transductores de sonido permiten medir el nivel de ruido, y en caso necesario y a través de un controlador, actuar; por ejemplo, cerrando una ventana o regulando el volumen.

Los transductores de sonido le ofrecen la posibilidad de conectar un sistema de alarma externo que le indican al usuario que hay demasiado ruido. Esto permite actuar de forma inmediata para proteger el oído de posibles daños.

El sonido forma parte de las magnitudes críticas, pues una intensidad de sonido muy alta puede producir daños en el oído humano. Los transductores convierten el sonido en una señal eléctrica y permiten al usuario procesar el sonido técnicamente.

TRANSDUCTORES DE LUZ

Los transductores de luz se usan en aquellos lugares donde por ejemplo es necesario activar una fuente luminosa artificial cuando disminuye la intensidad de luz diurna. Los transductores de luz captan la intensidad luminosa y la convierten en una señal eléctrica para que un controlador pueda trabajar los valores de medición.

Esto permite por ejemplo que una nave de producción mantenga la misma claridad, lo que asegura que las condiciones del puesto de trabajo sean iguales. En conexión con un registrador de datos puede almacenar los valores de luminosidad a través de un periodo de tiempo, lo que permite por ejemplo determinar las horas de luz solar.

TRANSDUCTORES DE CONDUCTIVIDAD

Para medir la conductividad de una disolución se emplea la celda de conductividades, que consiste en un par de electrodos plano-paralelos de Platino separados una cierta distancia. Cuando se conecta una fuente de tensión externa a los electrodos y se sumerge la celda en una disolución iónica, los iones se mueven debido al campo eléctrico que existe entre los electrodos. Si la fuente de tensión es de corriente continua, los iones que van llegando a los electrodos absorben o ceden electrones y se produce el fenómeno de electrólisis.

Sin embargo, si se está interesado solo en el fenómeno del movimiento de los electrones por la disolución, el fenómeno de electrólisis es un efecto contraproducente. Por ello se escoge una fuente de tensión de corriente alterna para que los iones no tengan tiempo de intercambiar electrones con los electrodos, y la disolución se comporta como un medio conductor, con una conductividad dada, en cuyo interior se mueven los iones. Dicho conductor tendrá una resistencia eléctrica por lo que la celda es un transductor que transforma la conductividad de la disolución en resistencia eléctrica.

TRANSDUCTORES DE FUERZA

Entre los elementos eléctricos más populares usados en mediciones de fuerza se tienen las galgas extensométrico (strain gage) las galgas semiconductoras, y los Transductores piezoeléctricos. En general, las galgas extensométrico miden indirectamente la fuerza, midiendo la deflexión que esta produce en un portador calibrado, el Transductor piezoeléctrico responde directamente a la fuerza aplicada. La galga extensométrico resistiva es un elemento resistivo el cual cambia su longitud, y por tanto su resistencia, cuando la fuerza aplicada a la base sobre la cual está montado causa deflexión o compresión.

Es quizás el Transductor más conocido para convertir fuerza en una variable eléctrica. Las galgas extensométrico no cementadas (unbonded) consisten de un alambre extendido entre dos puntos. La fuerza actuando sobre el alambre provocarán que el alambre se extienda o se encoja, lo cual hará que la resistencia aumente o disminuya(R = ρL/∆, (∆= ∆L/L, en donde K es el factor de la galga).

TRANSDUCTORES DE NIVEL

Un nombre mejor para estos dispositivos es Transductores de volumen, puesto que estos Transductores son a menudo usados para medir el contenido de contenedores. El Transductor de nivel más conocido (excepto por la barra calibrada) es el tipo flotador, usado en millones de tanques de combustible de automóviles.

Un flotador controla un potenciómetro o reóstato el cual produce una salida eléctrica. La salida puede ser tanto discreta como continua, si el potenciómetro es reemplazado por un juego de contactos de conmutación.

El líquido mismo puede ser usado como un reóstato si la conductancia entre dos barras inmersas en el líquido, es medida. En la a, La información de niveles discretos puede ser tomada similarmente, como se muestra en la b. La capacitancia también puede ser usada como parámetro. Las mediciones pueden ser en ac (fáciles de amplificar), y el método trabajará con materiales conductivos o no conductivos- húmedos o secos.

TRANSDUCTOR DE CAUDAL

Los transductores de caudal se basan En varios principios según se trate de fluidos compresibles o no. El caudal puede definirse como masa por unidad de tiempo (caudal másico) o como volumen por unidad de tiempo (caudal volumétrico). El caudal volumétrico depende sólo de la sección considerada y de la velocidad del fluido, pero el caudal másico depende además de la densidad del fluido y esta a su vez de la presión y temperatura del mismo.

TRANSDUCTOR ELECTROACÚSTICO

Un transductor electroacústica es aquel dispositivo que transforma la electricidad en sonido, o viceversa. El micrófono es un transductor electroacústica. Su función es la de transformar (traducir) las vibraciones debidas a la presión acústica ejercida sobre su cápsula por las ondas sonoras en energía eléctrica o grabar sonidos de cualquier lugar o elemento.

TRANSDUCTOR ELECTROMECÁNICO

El transductor electromecánico es un tipo de transductor que transforma electricidad en energía mecánica, o viceversa. Un ejemplo puede ser cuando una bocina captora recoge las ondas sonoras y las convierte en energía, o cuando la cápsula fonocaptora de un tocadiscos produce corrientes oscilantes producto de las vibraciones recogidas por la púa, también cuando un generador de energía es movido por una fuerza motriz (generalmente natural como las corrientes de agua o vientos), este entonces transforma esa energía mecánica en energía eléctrica.

TRANSDUCTOR ELECTROSTÁTICO

Un transductor electrostático consiste en una membrana, normalmente mylar metalizado, cargada eléctricamente que hace la función de diafragma y que se mueve por la fuerza electrostática que se produce al variar la carga de dos placas entre las que se encuentra.

TRANSDUCTOR FOTOELÉCTRICO

El transductor fotoeléctrico es un tipo de transductor que transforma luz en energía eléctrica o viceversa, por ejemplo es una cámara fotográfica digital. Estas vibraciones resultantes (ya sean eléctricas o lumínicas, dependiendo de la naturaleza del transductor), son importantes en los sistemas.

Transductores fotoeléctricos son empleados en 2 formas:

a).- Como detector de cambios en la intensidad de la luz de una cierta longitud de onda, como en la colorimetría y espectrometría.

b).- Como detector de intensidad de la luz en donde la longitud de onda no es relevante.

Básicamente hay 3 tipos de transductores fotoeléctricos:

1.- Los fotoemisores (fototubo) en el cual se liberan electrones de una superficie metálica.

2.- Los fotovoltáicos, donde se produce una diferencia de potencial entre 2 substancias en contacto.

3.- Los fotoconductivos, como la fotorresistencia, donde ocurre un cambio en conductividad.

TRANSDUCTOR MAGNETOESTRICTIVO

Los transductores magnetoestrictivos son todos aquellos que basan su funcionamiento en el fenómeno de la magnetoestricción. Éste es un fenómeno reversible que se basa en el acoplamiento de fuerzas mecánicas y magnéticas, de manera que un material de éste tipo ante la presencia de un campo magnético sufre ciertas modificaciones en su estructura interna, lo que produce pequeños cambios en sus dimensiones físicas. También una deformación de dicho material produce una variación de la inducción magnética.

Su campo de aplicación es en emisores y receptores acústicos submarinos e industriales:

Sonar.
Hidrófonos.
Proyectores de ultrasonidos de alta potencia.

TRANSDUCTOR PIEZOELÉCTRICO

Convierten un cambio en la magnitud a medir en un cambio en la carga electrostática o tensión generada a ciertos materiales cuando se encuentran sometidos a un esfuerzo mecánico. Son aquellos que consisten en un cristal piezoeléctrico que se contrae ante impulsos eléctricos aplicados en su superficie. Es importante destacar que no utiliza ningún tipo de magnetismo ni contiene imanes.

Tienen un alto rendimiento, sensibilidad o eficiencia, pero como la superficie de radiación es muy pequeña sólo se utiliza para la reproducción de altas frecuencias. Se usan también en sonar o ecografía donde se emplean frecuencias por encima del rango audible.

Es barato fabricarlos y soportan altas potencias, dado que es muy difícil destruir el propio cristal, pero no ofrece la calidad de sonido que se encuentran en otros tweeters más convencionales.

TRANSDUCTORES ELECTROMAGNÉTICOS

Es un transductor que transforma electricidad en energía magnética o viceversa. Por ejemplo, un electroimán es un dispositivo que convierte la electricidad en magnetismo o viceversa (flujo magnético en electricidad).

A veces este término es empleado erróneamente como sensor electromagnético, como los sensores de distancia de los taxímetros.

EJEMPLOS DE TRANSDUCTORES

Un micrófono es un transductor electroacústica que convierte la energía acústica (vibraciones sonoras: oscilaciones en la presión del aire) en energía eléctrica (variaciones de voltaje).

Un altavoz también es un transductor electroacústica, pero sigue el camino contrario. Un altavoz transforma la corriente eléctrica en vibraciones sonoras.

Otros ejemplos son los teclados comunes que transforman el impulso de los dedos sobre las membranas y éstas generan el código de la tecla presionada.

Otro ejemplo es el sistema de alarma de un automóvil, el cual transforma los cambios de presión dentro del vehículo a la activación de dicha alarma. Algunas de estas son termistores, galgas extensiométricas, piezoeléctricos, termostatos, etc.