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05/06
TRANSDUCTORES
GENERADORES
Juan A. Montiel-Nelson
Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Telecomunicación
Universidad de Las Palmas de Gran Canaria
Índice






Introducción a los Transductores Generadores.
Termopares.
Transductores Piezoeléctricos.
Transductores Piroeléctricos.
Transductores Fotovoltaicos.
Transductores Electroquímicos.
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Transductores
Generadores
2
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 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.
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Transductores
Generadores
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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.
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Transductores
Generadores
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Termopares
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Efecto Seebeck
S A, B =
dE A, B
= S A − SB ;
dT
– 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.
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Transductores
Generadores
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Termopares
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Efecto Peltier
Π A, B = T (S B − S A ) = − Π B , A ;
– 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.
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Transductores
Generadores
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Termopares

Efecto Thompson
q = i 2 r − iσ (dT dx );
– Descripción
• Absorción o liberación de calor por parte de un conductor homogéneo
con temperatura no homogénea por el que circule una corriente.
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Transductores
Generadores
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Termopares

Efecto Seebeck-PeltierThompson
– 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),
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
(dE AB
dT )∆T = Π AB (T + ∆T ) − Π ABT + (σ B − σ A )∆T ;
dE AB dT = dΠ AB dT + (σ B − σ A );
– Efecto Seebeck es el resultado de
los efectos Peltier y Thompson.
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Generadores
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Termopares
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Limitaciones
–
–
–
–
Temperatura de fusión de la unión
Intensidad de corriente del circuito
Temperatura de la unión de referencia
Linealidad
(
)
E AB ≈ C1 (T1 − T2 ) + C2 T12 − T22 ;
• Interesa que C2 sea muy pequeño.
E AB ≈ 62,1(T1 − T2 ) − 0,045 T12 − T22 ( µV );
• 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.
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Transductores
Generadores
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Termopares
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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
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Generadores
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Termopares
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Materiales y modelos comerciales
– Modelos según tipos de uniones
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Generadores
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Termopares
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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
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Generadores
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Termopares
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Cuadro de características
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Transductores
Generadores
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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
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Transductores
Generadores
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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 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.
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Generadores
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Transductores piezoeléctricos
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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 = s • T ; (ε = σ E );
• Al aplicar una diferencia de potencial entre placas, creándose un
campo eléctrico E:
D = ε • E = ε0 E + P
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Generadores
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Transductores 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:
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Generadores
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Transductores piezoeléctricos

Expresiones del efecto
piezoeléctrico
– Para una material piezoeléctrico
unidireccional
•
•
S = s E • T + d '•E
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.
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D = d •T +εT • E
E = D / ε T −T • d / ε T = D / ε T − g •T; g = d / ε T ;
T =−
d
1
E
E
E
+
S
=
c
•
S
−
e
•
E
;
e
=
d
/
S
;
E
E
s
s
Transductores
Generadores
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Transductores 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:
k =d ε s
2
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2
T
Transductores
Generadores
E
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Transductores piezoeléctricos
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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.
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Transductores
Generadores
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Transductores 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.
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Transductores
Generadores
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Transductores piezoeléctricos

Limitaciones
–
–
–
–
–

Fuga de carga
Resonancia
Sensibilidad a la temperatura
Temperatura de curie
Alta impedancia de salida
Ventajas
– Sensibilidad
– Rigidez mecánica
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Transductores
Generadores
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Transductores piezoeléctricos

Aplicaciones
– Disposiciones a baja frecuencia:
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Generadores
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Transductores piezoeléctricos

Aplicaciones
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Transductores
Generadores
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Transductores piezoeléctricos

Cuadro de características
– Características del transductor de presión piezoeléctrico
modelo 112A.
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Transductores
Generadores
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Transductores piezoeléctricos

Cuadro de características
– Características del acelerómetro piezoeléctrico, modelo 508
con preamplificador interno.
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Transductores
Generadores
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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 temperatura.

Expresiones
– Polarización espontánea
∆P = p •T
– Carga inducida en placas del condensador piroeléctrico
∆Q = A • ∆P = pA∆T
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Transductores
Generadores
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Transductores piroeléctricos

Expresiones
– Sensibilidad en tensión
• Responsividad:
α. p
τ
−1
Rv =
VW
(
)
1/ 2
2
2
CE ε . A 1 + ω τ )
(
– Sensibilidad en corriente
• Responsividad:
Ri =
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α. p
(
ωτ
C E b 1 + ω 2 τ 2 ) 1/ 2
( AW )
Transductores
Generadores
−1
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Transductores 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 PVF2 ó PVDF.
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Transductores
Generadores
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Transductores piroeléctricos

Materiales piroeléctricos
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Transductores
Generadores
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Transductores piroeléctricos

Limitaciones
–
–
–
–

Ruido térmico.
Temperatura de Curie.
Ambientes contaminantes.
Cargas parásitas.
Ventajas
– Inercia térmica.
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Transductores
Generadores
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Transductores piroeléctricos

Aplicaciones
–
–
–
–
–
–
Pirómetros.
Radiómetros.
Analizadores de IR.
Detectores de intrusos.
Detección de Pulsos Láser de Alta Potencia.
Termómetros de Alta Resolución.
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Transductores
Generadores
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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 ioniza una zona
donde hay una barrera de potencial se la denomina efecto
fotovoltaico.
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Transductores
Generadores
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Transductores fotovoltaicos
Efecto fotovoltaico
 Limitaciones frente a los
LDR

– Requieren amplificación.

Ventajas frente a las
fotorresistencias
– Linealidad.
– Velocidad de respuesta.
– Ruido.
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Generadores
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Transductores fotovoltaicos

Materiales
– Los mismos materiales que las fotorresistencias.

Aplicaciones
– Medida de luminosidad.
– Medidas indirectas.
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Transductores
Generadores
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Transductores fotovoltaicos

Cuadro de características
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Transductores
Generadores
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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 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.
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Transductores
Generadores
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Transductores 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
• Deja de ser cierto y fi < 1.
– Concentración muy diluidas
• fi≈1.
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RT ai ,1
E=
ln
;
zF ai , 2
ai = Ci f i ;
Transductores
Generadores
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Transductores electroquímicos

Transducción potenciométrica
RT
E = E0 +
ln ai = E0 + k log ai ;
zF
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Transductores
Generadores
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Transductores electroquímicos

Transducción potenciométrica
– Cuando lo que interesa no es la actividad iónica sino la
concentración:
E = E0 + k log f i + k log Ci ;
E = E0′ + k log ai ;
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Transductores
Generadores
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Transductores electroquímicos

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+.
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Generadores
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Transductores electroquímicos

Materiales
– 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.
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Transductores electroquímicos
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Limitaciones
– Impedancia de salida
• Muy alta para electrodos específicos [20MΩ, 1GΩ]
• Amplificadores electrométricos
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Generadores
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