TRANSDUCTORES ELECTROMECÁNICOS DE PRESIÓN

Índice TRANSDUCTORES ELECTROMECÁNICOS DE PRESIÓN .................................................................... 2 RESISTIVOS O POTENCIOMÉTRICOS ............................................................................................ 2 CAPACITIVOS: .............................................................................................................................. 3 Magnéticos: ................................................................................................................................. 4 Piezoeléctricos............................................................................................................................. 5 EXTENSOMÉTRICOS ..................................................................................................................... 6 TRANSDUCTORES ELECTRÓNICOS DE EQUILIBRIOS DE FUERZAS................................................... 7 Bibliografía: ..................................................................................................................................... 9

TRANSDUCTORES ELECTROMECÁNICOS DE PRESIÓN 1 Los elementos electromecánicos utilizan un elemento mecánico elástico en combinación con un transductor eléctrico el cual genera una señal eléctrica de salida. El elemento mecánico convierte la presión a medir en una fuerza o en un desplazamiento el cual es detectado con el transductor eléctrico. Dentro de la clasificación de los transductores y/o transmisores utilizados en los elementos electromecánicos se encuentran los: Resistivos o Potenciométricos, Magnéticos, Capacitivos, Extensométricos y Piezoeléctricos.

RESISTIVOS O POTENCIOMÉTRICOS

FIGURA 1 Elementos Resistivos Estos se basan en que el desplazamiento provocado por un elemento elástico el cual hace variar la resistencia de un potenciómetro en función de la presión. Existen varios tipos de potenciómetros a utilizar: de grafito, de resistencia embobinada, de película metálica y plástico moldeado como se observa en la figura 1. La señal de salida de estos transductores es bastante potente, por lo que no es necesaria una etapa de amplificación a la salida, sin embargo son insensibles a pequeñas variaciones del cursor y son sensibles a vibraciones. No suelen ser muy estables. Es uno de los transmisores eléctricos más sencillos. Consisten en un elemento elástico (tubo Bourdon o cápsula) que varía la resistencia óhmica de un potenciómetro en función de la presión. En la figura 2 se puede un transductor resistivo representativo que consta de un muelle de referencia, el elemento de presión y un potenciómetro de precisión. El muelle de referencia es el corazón del transductor ya que su desviación al comprimirse debe ser únicamente una función de la presión y además debe ser independiente de la temperatura, de la aceleración y de otros factores ambientes externos.

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FIGURA 2 Estructura Interna del Transductor Resistivo.

CAPACITIVOS:

FIGURA 3 Elemento Capacitivo

El funcionamiento básico de éste tipo de transductores consiste en dos placas paralelas separadas por un dieléctrico como se observa en la figura 4. La variación de capacitancia puede ser obtenida por cambios de la distancia entre placas, cambios en el área de las placas o cambios físicos o químicos en el dieléctrico. De este modo se tienen dos condensadores uno de capacidad fija o de referencia y el otro de capacidad variable, que pueden compararse en circuitos oscilantes o bien en circuitos de puente de Wheatstone alimentados con corriente alterna. Se caracterizan por ser de tamaño pequeño y su robusta construcción, son adecuados para mediciones estáticas y dinámicas como se observa en la figura 3, su señal de salida es débil por lo que se requiere una etapa amplificadora a la salida del transductor, son sensibles a la temperatura.

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FIGURA 4 Estructura Interna del Transductor Capacitivo. La capacitancia esta dada por ejemplo: C=(0.225*A*K)/x Donde A= Área común K= Cte. Dieléctrica x= Dist. De las Placas Magnéticos: 2 Transductores magnéticos. Los transductores magnéticos básicamente son de dos tipos: Transductores de inductancia variable en los que el desplazamiento de un núcleo móvil dentro de una bobina varía la inductancia casi proporcional al desplazamiento del núcleo. Dentro de este tipo de transductores también se utiliza el LVDT (véase fig.5).

FIGURA 5 Transductor De Inductancia Variable Transductores de reluctancia variable en este caso se tiene un imán permanente que crea un campo magnético dentro del cual se mueve una armadura de material magnético. Al cambiar la posición de la armadura varía la reluctancia y por consiguiente el flujo magnético, esta variación del flujo provoca una corriente inducida en la bobina que es proporcional al desplazamiento de la armadura (véase fig.6).

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FIGURA 6 Transductor De Reluctancia Variable

Al aplicar la presión al elemento elástico, éste desplaza el núcleo de la bobina o la armadura, generándose una señal eléctrica proporcional a la presión. Piezoeléctricos.

FIGURA 7 Elementos Piezoeléctricos

Estos dispositivos utilizan las características piezoeléctricas de ciertos cristales y materiales cerámicos para generar una señal eléctrica su estructura se puede observar en la figura 7. El denominado efecto piezoeléctrico fue descubierto por Pierre y Jacques Curie cuando descubrieron que al aplicar presión a un cristal de cuarzo se podía generar una carga eléctrica. Estudios posteriores han revelado que existen unos 40 materiales cristalinos que cumplen esta propiedad. Estos elementos eléctricos, son materiales cristalinos que al deformarse físicamente por la acción de una presión, generan una señal eléctrica. La señal de respuesta varía en forma lineal con la presión de entrada, son adecuados para medidas dinámicas ya que son capaces de responder a frecuencias del orden de 1 MHz. Son elementos pequeños de construcción robusta sin embargo son sensibles a cambios de temperatura; requiere de amplificadores.

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Hay dos tipos básicos de cristales; los naturales y los sintéticos, siendo estos últimos “cristales” cerámicos de los que el titanato de bario fue el primero con aplicaciones comerciales. Se descubrió que la adición de impurezas controladas tales como el titanato de calcio, mejoraba alguna de las características de los cristales. Esto dio como resultado que los cerámicos sean utilizados con mayor frecuencia en la producción de transductores piezoeléctricos. Los piezoeléctricos son dispositivos de alta impedancia, por esto solo pueden suministrar corrientes muy pequeñas. Si la temperatura es elevada lo suficiente, punto Curie, estos materiales pueden perder sus propiedades. Debe notarse que una limitación de los piezoeléctricos es que no tienen buena respuesta a la aplicación de una fuerza constante, pero su respuesta es adecuada para la medición de fuerzas mecánicas cambiantes. Su respuesta en frecuencia va desde unos pocos Hertz hasta el nivel de Mega Hertz. Su estructura se puede observar en la figura 8.

FIGURA 8 Estructura De Los Elementos Piezoeléctricos Carga inducida sobre el Cristal: Q=d*F F=Fuerza D=Cte. piezoeléctrica Voltaje de Salida: Eo=Se*h*(Q/d) EXTENSOMÉTRICOS

FIGURA 9 Elemento Extensiométrico

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También llamados galgas extensométricas o strain gage (véase fig.9). Se basan en la variación de longitud y de diámetro, por lo tanto de resistencia, que tiene lugar cuando un hilo de alambre se encuentra sometido a una tensión mecánica por la acción de la presión, su diagrama se observa en la figura 10. El cambio de resistencia que acompaña al esfuerzo se debe a cambios geométricos y a cambios en la resistividad del material. Cumplen la siguiente relación: R=ρ L / A Donde: L=Longitud A= área de la sección transversal ρ= Resistividad del material.

FIGURA 10 Diagrama del Elemento Extensiométrico Pueden ser de tres tipos: De alambre, laminar y semiconductor

TRANSDUCTORES ELECTRÓNICOS DE EQUILIBRIOS DE FUERZAS 3

En la figura 11 está representado un transmisor de este .En este instrumento el elemento mecánico de medición (tubo Bourdon, espiral, fuelle...) ejerce una fuerza sobre una barra rígida del transmisor. Para cada valor de la presión, la barra adopta una posición determinada excitándose un transductor de desplazamiento tal como un detector de inductancia, un transformador diferencial o bien un detector fotoeléctrico. Un circuito oscilador asociado con cualquiera de estos detectores alimenta una unidad magnética y la fuerza generada reposiciona la barra de equilibrio de fuerzas. Se completa así un circuito de realimentación variando la corriente de salida en forma proporcional al intervalo de presiones del proceso. El detector de posición de inductancia y el transformador diferencial han sido ya estudiados anteriormente. En el transmisor de equilibrio de fuerzas con detector fotoeléctrico (fig.11 c), la barra rígida tiene en su extremo una ventanilla ranurada que interrumpe total o parcialmente un rayo de luz que incide en una célula fotoeléctrica de dos elementos. Esta célula forma parte de un circuito de puente de Wheatstone

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autoequilibrado y, por lo tanto, cualquier variación de presión que cambie la barra de posición, moverá la ventana ranurada y desequilibrará el puente. La señal diferencial que se produce en los dos elementos de la célula es amplificada y excita un servomotor. Éste, al girar, atornilla una varilla roscada la cual comprime un resorte de realimentación que a su vez aprieta la barra de equilibrio de fuerzas con una fuerza tal que compensa la fuerza desarrollada por el elemento de presión. De este modo, el sistema se estabiliza en una nueva posición de equilibrio. Este transmisor dispone de un contador óptico-mecánico acoplado al servomotor que señala los valores de presión en una pantalla exterior. Los transductores electrónicos de equilibrio de fuerzas se caracterizan por tener un movimiento muy pequeño de la barra de equilibrio, poseen realimentación, una elasticidad muy buena y un nivel alto en la señal de salida. Por su constitución mecánica presentan un ajuste del cero y del alcance (spari) complicado y una alta sensibilidad a vibraciones y su estabilidad en el tiempo es de media a pobre. Su intervalo de medida corresponde al del elemento mecánico que utilizan (tubo Bourdon, espiral, fuelle, diafragma...) y su precisión es del orden de 0,5-1 %.

Q - Detector de inductancias

FIGURA 11 Transmisor electrónico de equilibrio de fuerzas.

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Bibliografía: 

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Transductores electromecánicos de presión. (n.d.). Consultada el 07 de Junio del 2012, de : http://instrument-industrial.blogspot.com/2007/05/transductores-electromecnicos-depresin.html Transductores electrónicos de equilibrio de fuerzas. (n.d.). Consultada el 07 de junio del 2012, de: http://www.mavainsa.com/documentos/10_instrumentacion.pdf

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