05/06 TRANSDUCTORES GENERADORES. Juan A. Montiel-Nelson

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1 05/06 TRANSDUCTORES GENERADORES Juan A. Montiel-Nelson Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Telecomunicación Universidad de Las Palmas de Gran Canaria

2 Índice Introducción a los. Termopares. Piezoeléctricos. Piroeléctricos. Fotovoltaicos. Electroquímicos. 2

3 Introducción Introducción a los. 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 con diversos 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 (f.t.e.m). Vibraciones en cables con determinados dieléctricos. Potenciales galvánicos en soldaduras o contactos. 3

4 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. 4

5 Termopares Efecto Seebeck Conversión de energía térmica a energía eléctrica Diferencia de potencial S de = dt A, B A, B A B Depende de los metales, de la diferencia de temperaturas entre las uniones. S A,B no es constante y depende de T, y suele crecer al aumentar T. S La f.t.e.m depende sólo de la diferencia de temperatura entre las uniones de los metales. = S ; 5

6 Termopares Efecto Peltier Descripción Consiste en el calentamiento o enfriamiento de una unión entre dos metales distintos al pasar corriente por ella. Efecto reversible Π = T ( S S ) = Π ; A, B B A B, A 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. 6

7 Termopares Efecto Thompson Descripción q = i 2 r iσ ( dt dx); Absorción o liberación de calor por parte de un conductor homogéneo con temperatura no homogénea por el que circule una corriente. 7

8 Termopares Efecto Seebeck-Peltier- Thompson La energía termoelectromotriz producida, debe coincidir con energía térmica neta transformada Unión AB con T+ T Unión BA con T Efecto Seebeck Calor absorbido en la unión caliente AB (T+ T), Π AB (T+ T) Calor liberado en la unión fría BA (T), -Π AB T Efecto Thompson Calor liberado en A, -σ A T Calos absorbido en B, σ B T Efecto Seebeck es el resultado de los efectos Peltier y Thompson. ( de dt ) T = Π ( T + T ) Π T + ( σ σ ) de AB AB dt = dπ AB AB dt + ( σ σ ); B A AB B A T; 8

9 Termopares Limitaciones Temperatura de fusión de la unión Intensidad de corriente del circuito Temperatura de la unión de referencia Linealidad Interesa que C 2 sea muy pequeño. Termopar cobre-constantan. Ventajas E AB C Gran rango de temperaturas [-270ºC,3000ºC]. Estabilidad y fiabilidad. Mayor exactitud que las RTD. Baja inercia térmica. Robustez, simplicidad y flexibilidad. 2 2 ( T T ) + C ( T ); T2 2 2 T1 T2 0,045 T1 T2 ( V ( ) ( ) ); E AB 62,1 µ 9

10 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 10

11 Termopares Materiales y modelos comerciales Modelos según tipos de uniones 11

12 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 12

13 Termopares Cuadro de características 13

14 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 14

15 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 potencial eléctrico entre dos caras de un material piezoeléctrico aparece una deformación. No confundirlo con la ferroelectricidad: Propiedad de presentar un momento eléctrico dipolar (espontáneo o inducido). Todos los materiales ferroeléctrico presenta piezoelectricidad, no al revés. 15

16 piezoeléctricos Expresiones del efecto piezoeléctrico Para material dieléctrico no piezoeléctrico Al aplicar una fuerza F, según la ley de Hooke en el margen elástico aparece una deformación: S ( ε = σ ); = s T; E Al aplicar una diferencia de potencial entre placas, creándose un campo eléctrico E: D ε E = ε E + = 0 P 16

17 piezoeléctricos 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 (campos cuasiestáticos) se cumple: 17

18 piezoeléctricos 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 (campos cuasiestáticos) se cumple: Permitividad a esfuerzo constante. Compliancia 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 cargas superficiales de polaridad opuesta. S = s E T + d' E D = d T + ε T E T T T T E = D / ε T d / ε = D / ε g T; g = d / ε ; T d = s E E + 1 s E S = c E S e E; e = d / S E ; 18

19 piezoeléctricos Expresiones del efecto piezoeléctrico Coeficiente de acoplamiento mecánico Raíz cuadrada del cociente entre la energía disponible a la salida y la energía almacenada, a frecuencias muy inferiores a la resonancia mecánica. Adimensional: 2 2 T k = d ε s E 19

20 piezoeléctricos 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. 20

21 piezoeléctricos 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. 21

22 piezoeléctricos Limitaciones Fuga de carga Resonancia Sensibilidad a la temperatura Temperatura de curie Alta impedancia de salida Ventajas Sensibilidad Rigidez mecánica 22

23 piezoeléctricos Aplicaciones Disposiciones a baja frecuencia: 23

24 piezoeléctricos Aplicaciones 24

25 piezoeléctricos Cuadro de características Características del transductor de presión piezoeléctrico modelo 112A. 25

26 piezoeléctricos Cuadro de características Características del acelerómetro piezoeléctrico, modelo 508 con preamplificador interno. 26

27 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 temperatura. Expresiones Polarización espontánea P = p T Carga inducida en placas del condensador piroeléctrico Q = A P = pa T 27

28 piroeléctricos Expresiones Sensibilidad en tensión Responsividad: R Sensibilidad en corriente Responsividad: v R i = = α. p C ε A E α. p Cb E ( τ 1+ ω τ ) ( VW ) 1 / ( ωτ 1+ ω τ ) ( AW ) / 1 28

29 piroeléctricos Materiales piroeléctricos Lineales: Turmalina. Sulfato de Litio. Sulfuros de Cadmio y Selenio. Ferroeléctricos: Tantalato de Litio. Niobato de Estroncio y Bario. Titanato-Circonato de plomo. Sulfato de Triglicina. Polímeros: Polivinilideno PVF 2 ó PVDF. 29

30 piroeléctricos Materiales piroeléctricos 30

31 piroeléctricos Limitaciones Ruido térmico. Temperatura de Curie. Ambientes contaminantes. Cargas parásitas. Ventajas Inercia térmica. 31

32 piroeléctricos Aplicaciones Pirómetros. Radiómetros. Analizadores de IR. Detectores de intrusos. Detección de Pulsos Láser de Alta Potencia. Termómetros de Alta Resolución. 32

33 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 ioniza una zona donde hay una barrera de potencial se la denomina efecto fotovoltaico. 33

34 fotovoltaicos Efecto fotovoltaico Limitaciones frente a los LDR Requieren amplificación. Ventajas frente a las fotorresistencias Linealidad. Velocidad de respuesta. Ruido. 34

35 fotovoltaicos Materiales Los mismos materiales que las fotorresistencias. Aplicaciones Medida de luminosidad. Medidas indirectas. 35

36 fotovoltaicos Cuadro de características 36

37 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: amperométricos. ISE (Ion Selectiva Electrodes) Los transductores potenciométricos selectivos de ión se basa en la aparición de una diferencia de potencial en la interfase entre 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, la membrana selectiva sólo deja pasar un ión específico, la tendencia de dicho ión 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 ión. 37

38 electroquímicos 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 ideal, en el que se supone que cada ión es independiente de los demás: Concentración alta E a i = = RT zf C i f i ln ; a a i,1 i,2 ; Deja de ser cierto y fi < 1. Concentración muy diluidas fi 1. 38

39 electroquímicos Transducción potenciométrica RT E = E + ln ai = E0 + zf k log a ; 0 i 39

40 electroquímicos Transducción potenciométrica Cuando lo que interesa no es la actividad iónica sino la concentración: E E = = E 0 E 0 + k log f + k log a ; i i + k logc ; i 40

41 electroquímicos Materiales Primarios o de membrana simple Cristalinas Homogénea. Heterogénea: Mezcla con una matriz inerte. Medida de iones: F -, Cl -, Br -, I -, Cu 2+, Pb 2+ y Cd 2+. No cristalinas Membraba de vidrio Determinación de ph y actividad de Na +. 41

42 electroquímicos Materiales Doble membrana Electrodos de gases: Cambio del ph. Medida de concentraciones: CO 2, SO 2 y NO 2 Impedancia de salida Muy alta para electrodos específicos [20MΩ, 1GΩ]. Amplificadores electrométricos. 42

43 electroquímicos Limitaciones Impedancia de salida Muy alta para electrodos específicos [20MΩ, 1GΩ] Amplificadores electrométricos 43