TRANSFORMADORES DIFERENCIALES DE VARIACION LINEAL (LVDT's).

Un transformador diferencial de variaci�n lineal entrega una se�al de voltaje de salida CA que es proporcional a un desplazamiento f�sico. La figura 3.5 muestra la construcci�n, el s�mbolo esquem�tico, y las formas de onda de salida de un LVDT.

La figura 3.5 (a) muestra que un LVDT tiene un devanado primario y dos devanados secundarios arrollados sobre el mismo soporte. El soporte mismo es hueco y contiene un n�cleo magn�tico que es libre para deslizarse dentro del soporte. Siempre y cuando el n�cleo magn�tico est� perfectamente centrado en el soporte, el flujo magn�tico de enlace ser� el mismo para el devanado secundario 1 y para el devanado secundario 2. Por tanto ambos voltajes secundarios ser�n iguales Si el n�cleo se mueve hacia la izquierda en la figura 3.5 (a), el enlace magn�tico ser� m�s grande en el devanado secundario 1 debido a que hay m�s n�cleo dentro del devanado que dentro del devanado 2. Por tanto el voltaje del devanado 1 ser� m�s grande que el voltaje del devanado 2. Por otro lado,� Si el n�cleo se mueve a la derecha en la figura 3.5 (a) el voltaje del devanado 2 ser� m�s grande que el voltaje del devanado 1 porque el devanado secundario 2 tendr� m�s n�cleo dentro del �l. El LVDT se construye de tal manera que la diferencia entre los voltajes de los dos devanados secundarios es proporcional al desplazamiento del n�cleo.

Cuando un LVDT se utiliza como un dispositivo de medida, los devanados secundarios se conectan entre s� en serie sustractiva tal como se indica en la figura 3.5 (b). Por tanto, si el n�cleo est� centrado y el voltaje del devanado 1 es igual al voltaje del devanado 2, la salida neta del voltaje (Vout) es cero. Esto se muestra en la figura 3.5 (c). Si el n�cleo se mueve hacia arriba en la figura 3.5 (b), el voltaje del devanado 1 es m�s grande que el voltaje del devanado 2 de modo que Vout es diferente de cero. A mayor desplazamiento del n�cleo, m�s grande es Vout. Esto se muestra en la figura 3.5 (d). Tambi�n Vout esta en fase con Vin debido a la definici�n hecha en la figura 3.5 (b) de las marcas de fase.

Figura 3.5

Si el n�cleo se mueve hacia abajo de su punto medio en la figura 3.5 (b), el voltaje del devanado 2 es m�s grande que el voltaje del devanado 1, y Vout nuevamente es diferente de cero. Esta vez Vout est� 180� fuera de fase con respecto a Vin, tal como se muestra en la figura 3.5 (e). De este modo a magnitud de Vout es la cantidad de desplazamiento a partir del centro y la fase de Vout es la direcci�n del desplazamiento.

La mayor�a de los LVDT tienen un rango de desplazamiento de m�s o menos 1 pulgada. Es decir, el n�cleo puede moverse hacia arriba 1 pulgada a partir del centro y hacia abajo 1 pulgada tambi�n a partir del centro. Si el LVDT va a utilizarse para medir un desplazamiento mec�nico m�s grande que una pulgada debe utilizarse un aparato de relaci�n apropiada.

En cuanto a las magnitudes de los voltajes concierne, la mayor�a de los LVDT's est�n dise�ados para operar con un voltaje de entrada menor que 10 Vac. El voltaje de salida de plena escala puede extenderse de casi 0.5 V a casi 10 Vac para diferentes modelos de LVDT.

TRANSDUCTORES DE PRESI�N

Son numerosas las diferentes t�cnicas para medir presi�n industrialmente. Concentraremos nuestra atenci�n en solamente dos tipos comunes de dispositivos sensores de presi�n, los tubos Bourdon y los fuelles. Estos dispositivos detectan la presi�n medida y la convierten en un movimiento mec�nico. El movimiento mec�nico es entonces traducido a una se�al el�ctrica por un potenci�metro o un LVDT.

Tubos� Bourdon

Un tubo Bourdon� es un� tubo� deformable� de metal con� una� secci�n ovalada. Es abierto en uno de sus extremos y cerrado en el otro. El tubo hueco es el�stico� debido� a� la elasticidad�� del� metal utilizado en su construcci�n. El fluido cuya presi�n se quiere medir es� admitido al interior del tubo por su extremo abierto, el cual est� mec�nicamente asegurado.�� El tubo entonces deflecta una cantidad proporcional a la magnitud de la presi�n.

Esta� deflexi�n� es transmitida� mec�nicamente al contacto de un potenci�metro o al n�cleo de un LVDT para proporcionar una se�al el�ctrica. Las figuras 3.6 (a) a la (d) muestran las diferentes formas� de� los� tubos Bourdon y los movimientos que ellos producen.

La figura 3. 6 (e) muestra como un tubo de Bourdon en forma de C podr�a acoplarse a un potenci�metro. La figura 3.6 (f) muestra como un tubo en C podr�a acoplarse a un LVDT. Los tubos� Bourdon en espiral y helicoidales con frecuencia se prefieren a los tubos Bourdon en forma de C debido a que producen un movimiento m�s grande de su extremo sellado por cantidad de presi�n.

Los tubos Bourdon son m�s frecuentemente utilizados para medir presiones en el rango de 10 a 300 psi.

Figura 3.6

Fuelles

Un fuelle es esencialmente una serie de diafragmas met�licos conectados entre s�. Cuando se somete a la presi�n de un fluido, un diafragma met�lico se deformar� ligeramente debido a la elasticidad del material utilizado para construirlo. Cuando se soldan varios diafragmas en serie, el movimiento total del �ltimo diafragma puede ser considerable. La figura 3.7 (a) muestra un corte de un fuelle. Con la puerta de entrada de presi�n asegurada , el fuelle se expandir� a medida que aumente la presi�n del fluido, y el espigo de salida se mover� a la derecha. A medida que la presi�n del fluido cae, el fuelle se contrae, y el espigo de salida se mueve a la izquierda. La fuerza de contracci�n puede� proporcionarse�� por�� el resorte mismo de los diagramas del fuelle o por una combinaci�n de diafragma con un resorte externo.

Figura 3.7

Las figuras 3.7 (b) y (C) muestran dos arreglos comunes de los fuelles. En la figura 3.7 (b), la presi�n es aplicada al interior del fuelle y tiende a expandirlo contra la oposici�n del resorte de tensi�n. A medida que el fuelle se expande acciona un� enlace mec�nico que mueve el contacto de un potenci�metro para entregar una se�al de salida el�ctrica

En la figura 3.7 (c) la presi�n medida se aplica a la parte externa del fuelle, forz�ndolo a contraerse en contra de la compresi�n del resorte. A medida que se mueve, acciona un enlace mec�nico que mueve el n�cleo de un LVDT para entregar una se�al el�ctrica de salida. Estos transductores de presi�n se calibran ajustando la tensi�n o la compresi�n inicial del resorte de retorno. Una tuerca de ajuste, la cual no se muestra en la figura 3.7, se proporciona para este efecto.

Los transductores de presi�n tipo fuelle encuentran sus usos principales en la medida de presiones en el rango de 0.5 a 20 psi.

TERMOCUPLAS

El dispositivo m�s com�n para medir temperatura en proceses industriales es la termocupla. Una termocupla es un par de conductores met�licos distintos unidos entre s� formando una bucla completa como se muestra en la figura 3.8 (a). Los conductores distintos tienen dos puntos de uni�n, uno a cada lado de la bucla. Una� uni�n, denominada la uni�n caliente, est� sometida a alta temperatura y la otra uni�n, la uni�n fr�a, est� sometida a una baja temperatura. Cuando se hace esto, se crea un peque�o voltaje neto en la bucla; este voltaje es proporcional a la diferencia entre la temperatura de las dos uniones.

Lo que sucede en una bucla de termocupla es que se produce un peque�o voltaje en cada uni�n de los metales distintos, debido a un fen�meno no muy claro denominado el efecto Seebeck. Entre mayor sea la temperatura de la uni�n, mayor es el voltaje producido por dicha uni�n. Adem�s, la relaci�n entre el voltaje y la temperatura es aproximadamente lineal; es decir, un aumento dado en temperatura produce un aumento dado en voltaje. La constante de proporcionalidad entre el voltaje y la temperatura depende del par de metales que se utilicen. Dado que una bucla completa siempre tiene dos uniones, se producen dos voltajes. Estos voltajes se oponen entre s� en la bucla, tal como lo muestra la figura 3.8 (b). El voltaje neto disponible para manejar una corriente a trav�s de la resistencia de la bucla es la diferencia entre los dos voltajes individuales de las uniones, los cuales dependen de la diferencia entre las dos temperaturas de las uniones.

Figura 3.8

Para medir la diferencia de temperatura solamente es necesario abrir la bucla en un punto conveniente (en alg�n punto fr�o) e insertar un volt�metro. El volt�metro debe ser bastante sensible dado que el voltaje producido por la bucla de termocupla est� en el rango de los milivolts. Entonces la lectura de voltaje puede convertirse en una medida de temperatura refiri�ndonos a las tablas est�ndar que relacionan estas dos variables. En la figura 3.9 se dan gr�ficas de voltaje versus diferencia de temperatura para varias termocuplas industriales En cada caso el primer metal o aleaci�n met�lica mencionada en la termocupla es el lado positivo y el segundo metal o aleaci�n met�lica es el lado negativo.

Para evitar el problema de identificar las termocuplas por el nombre de f�brica se ha adaptado un c�digo de una letra para los tipos de termocuplas. De este modo las termocuplas tipo J tienen la respuesta que se muestra en la figura 3.9 sin importar qu� nombre en particular se utilice para identificar la aleaci�n met�lica. Lo mismo es valido para las tipo K y las tipo R y para otros tipos no graficados en la figura 3.9.

Figura 3.9

Cuando se inserta un volt�metro en la bucla de la termocupla, generalmente es m�s conveniente insertarlo como se muestra en la figura 3.8 (c). En dicha figura 3.8 (c), el metal A� y el metal B de hecho no se tocan uno con otro en el punto de la uni�n fr�a. En lugar de esto, ambos metales est�n en contacto con conductores est�ndar de cobre. La conexi�n se hace normalmente en una regleta de terminales. Entonces los conductores de cobre son los que conectan con el volt�metro sensible. Podr�a pensarse que esto romper�a el voltaje neto generado por la bucla de la termocupla, pero esto no sucede. El voltaje neto de la bucla permanece invariable dado que ahora hay dos uniones fr�as, una entre el metal A y el cobre y la otra entre el metal B y el cobre. La suma de los dos voltajes de uni�n producidos por estar uniones fr�as es igual al voltaje que se producir�a por la solo uni�n fr�a del metal A con el metal B. Desde luego, las dos uniones fr�as deben mantenerse a la misma temperatura que experimentar�a una uni�n simple. Esto no es un problema, dado que los conductores de cobre y los terminales est�n siempre dentro de alguna envoltura la cual est� aislada t�rmicamente del proceso que se est� midiendo, y que est� sometida a la misma temperatura a la cual estar�a sometida la uni�n simple, es decir la temperatura ambiente en la localidad industrial. Por tanto el circuito de la figura 3.8 (c) dar� la misma lectura que el circuito de la figura 3.8 (b).

Veamos ahora un hecho importante en la utilizaci�n de las termocuplas en la industria. Tiene que ver con la variaci�n de la temperatura ambiente en las uniones fr�as. Esta es la situaci�n: Si conocemos de antemano la temperatura de la uni�n fr�a, entonces en lugar de relacionar la lectura del volt�metro a la diferencia de temperatura podr�amos relacionarla a la temperatura misma de la uni�n caliente. Esto seria posible debido a que podr�amos elaborar tablas de temperatura versus voltaje que reflejen el hecho de que la uni�n fr�a se encuentra a una cierta temperatura de referencia conocida, como as� se le denomina.

Como ejemplo, consideraremos la termocupla tipo J de la figura 3.9. La gr�fica muestra que a una temperatura de 400�F, el voltaje de la bucla de la termocupla es 12 mV. Si sabemos que la uni�n fr�a estar� a 75�F, por decir algo, entonces podr�amos concluir que un voltaje de bucla de 12 mV representa una temperatura de la uni�n caliente de 475� (475� – 75� = 400�). Siempre que la uni�n fr�a se mantenga a la temperatura de referencia de 75�F, podr�amos reacomodar la tabla de la termocupla agreg�ndole 75�F a cada lectura de diferencia de temperatura. El valor resultante de la temperatura representar�a entonces a temperatura de la uni�n caliente.

En realidad, esto es exactamente lo que se hace en las tablas de las termocuplas industriales. El valor de 75�F se escogi� porque representa una suposici�n ligeramente razonable del promedio de la temperatura ambiental en un ambiente industrial. (En� las tablas de termocupla para uso de laboratorio generalmente la referencia de temperatura considerada es de 32�F, el punto de congelaci�n del agua).

Para que la t�cnica anterior funcione con exactitud, la uni�n fr�a debe mantenerse constantemente a la temperatura de referencia de 75�F. Esto es generalmente impracticable a menos que los instrumentos medidores de temperatura puedan localizarse en un cuarto con aire acondicionado. Con toda probabilidad, el instrumento de medida se localizara con el equipo y la maquinaria industrial. La temperatura puede f�cilmente variar de 50�F en el invierno a casi 100�F en el verano; a�n cuando son comunes variaciones m�s amplias en la temperatura ambiente. Debido a estas variaciones de temperatura en la uni�n fr�a, las buclas de termocupla industriales deben ser compensadas.

Un m�todo simple de compensaci�n autom�tica se ilustra en a figura 3.8 (b). Las dos fuentes de voltaje CD y las cuatro resistencias est�n conectadas de tal manera que los voltajes a trav�s de R2 y R3 est�n en oposici�n. La polaridad de los voltajes a trav�s de R1 y R4 no tiene importancia. Dado que R1 y R4 est�n fuera de la bucla de la termocupla. R3 es una resistencia sensible a la temperatura, que tiene un coeficiente t�rmico negativo. Esto significa que su resistencia disminuye a medida que aumenta su temperatura. El circuito est� dise�ado de tal manera que a 75�F el peque�o voltaje a trav�s de R3 iguale al peque�o voltaje a trav�s de R2. Los voltajes a trav�s de estas� dos resistencias se cancelan exactamente uno con otro y no es afectada la lectura de voltaje. Ahora si la temperatura de la uni�n fr�a aumentase por encima de la temperatura ambiente 75�F, la lectura del volt�metro tender�a a disminuir debido a la menor diferencia entre las uniones fr�a y caliente. Esto tender�a a mostrar una lectura de temperatura medida que es menor que la temperatura real en la uni�n caliente. Sin embargo la resistencia de R3 disminuye a medida que aumenta la temperatura de la uni�n fr�a lo cual da como resultado un voltaje m�s peque�o a trav�s de sus terminales. Por tanto el voltaje R3 no iguala el voltaje de R2 En consecuencia la combinaci�n de R2 – R3 introduce un voltaje neto en la bucla el cual tiende a aumentar la lectura del volt�metro. Debido al dise�o del circuito de compensaci�n, el voltaje neto introducido por la combinaci�n R2 – R3 exactamente cancela la disminuci�n en el voltaje de bucla introducida por el aumento de a temperatura en la uni�n fr�a.

Si la temperatura de la uni�n fr�a cayese por debajo de la temperatura ambiente 75�F, la combinaci�n R2 – R3 introduce un voltaje neto en la direcci�n opuesta. Esto balancea el incremento en el voltaje de bucla introducido por una mayor diferencia de temperatura entre las uniones fr�a y caliente. Esto puede verificarlo chequeando cuidadosamente las polaridades en la figura 3.8 (d).

Muchos instrumentos industriales de medida registro de temperatura utilizan Un puente balanceado autom�ticamente para indicar la temperatura. El voltaje de bucla de la termocupla se balancea moviendo el contacto de un potenci�metro en un circuito de puente de Wheatstone. El eje del potenci�metro esta acoplado a otro eje el cual opera la aguja indicadora de temperatura. Por tanto para cada valor de voltaje de bucla de la termocupla hay una posici�n correspondiente de la aguja indicadora de temperatura. Entonces la aguja se mover� frente a una escala marcada en temperatura.

TERMISTORES Y DETECTORES

RESISTIVOS DE TEMPERATURA (RTDs)

Adem�s de� utilizar el� voltaje de un termocupla para medir el�ctricamente una temperatura, es tambi�n posible utilizar el cambio de resistencia que sucede en muchos materiales a medida que cambia su temperatura. los materiales utilizados para esto fin son de dos clases,� metales puros y �xidos met�licos.

Los metales puros tienen un coeficiente t�rmico positivo de resistencia bastante constante. El coeficiente t�rmico de resistencia es generalmente denominado coeficiente t�rmico, es la relaci�n de cambio en la resistencia al cambio de temperatura. Un coeficiente positivo significa que la resistencia se hace mayor a medida que aumenta la temperatura. Si el coeficiente es una constante significa que el factor de proporcionalidad entre resistencia y temperatura es constante y que resistencia y temperatura ser�n graficados como una l�nea recta. La figura 3.10 (a) muestra la gr�fica de resistencia versus temperatura para varios metales comunes. El factor de resistencia en esta gr�fica indica el factor por el cual la resistencia real es m�s grande que la resistencia de referencia a 0�F. Por ejemplo, un factor de 2 indica que la resistencia es dos veces m�s grande que su valor a 0�F. Cuando se utiliza un conductor de metal puro para la medida de temperatura, nos referimos al como a un detector resistivo de temperatura, o un RTD (Resistive Temperature Detector).

Cuando se utilizan �xidos met�licos para la medida de temperatura, el material de �xido met�lico es moldeado en formas que se parecen a peque�os bulbos o peque�os condensadores. El dispositivo moldeado se denomina entonces un termistor. Los termistores tienen un gran coeficiente t�rmico negativo el cual no es constante. En otras palabras, el cambio de resistencia por unidad de cambio en temperatura es mucho m�s grande que en el caso de los metales puros, pero el cambio es en la otra direcci�n – la resistencia se vuelve m�s peque�a que la temperatura aumenta. El hechode que el coeficiente no es constante significa que l cambio en resistencia por unidad por unidad de cambio en temperatura es diferente a diferentes temperaturas. La figura 3.10 (b) muestra gr�ficas de resistencia versus temperatura para tres termistores industriales t�picos. Note que la escala vertical es logar�tmica para permitir mostrar el gran rango de resistencias. La resistencia sensitiva de temperatura que compensa a termocupla en el tema anterior podr�a ser un termistor.

Figura 3.10

La figura 3.11 muestra tres circuitos para la utilizaci�n de termistores y/o RTDs. En los diagramas esquem�ticos, las resistencias sensitivas de temperatura se simbolizan por medio de una resistencia atravesada por una flecha y encerrada por un circulo, y una letra T en la parte de afuera. Una resistencia con un coeficiente t�rmico positivo puede indicarse por una flecha apuntando hacia la parte superior del c�rculo, y una resistencia con un coeficiente t�rmico negativo puede simbolizarse con una flecha apuntando hacia la parte inferior del c�rculo.

En la figura 3.11 (a) se muestra el transductor de temperatura en serie con un amper�metro y una fuente de voltaje constante. A medida que la temperatura aumenta, la resistencia disminuye y la corriente aumenta. Si se conoce la caracter�stica especifica del termistor, es posible relacionar a medida de corriente con la temperatura operante. La fuente de voltaje no debe cambiar o de lo contrario la correspondencia corriente-temperatura no ser� v�lida, En la figura 3.11 (b) el termistor aumenta su resistencia a medida que la temperatura aumenta. Esto hace que una mayor parte de la fuente de voltaje constante aparezca a trav�s de sus terminales. De esto modo la lectura del volt�metro puede relacionarse a la temperatura.

Figura 3.11

En la figura 3.11 (c) se utiliza un circuito puente. En cuanto a precisi�n las medidas de los circuitos puente son inherentemente superiores a otras medidas debido a que el medidor que detecta el balance del puente puede ser muy sensible. Por tanto puede detectarse un peque�o desbalance en el puente y corregirlo. El medidor de detecci�n del puente puede ser muy sensible porque cuando el puente est� cercano a balance, el voltaje a trav�s del puente es cercano a cero; dado que el medidor de detecci�n no tiene que medir un gran voltaje, puede hacerse que responda ampliamente a un peque�o voltaje. En otras palabras, puede ser muy sensible. En contraste,los medidores en las figuras 3.11 (a) y (b) no pueden ser muy sensibles debido a que deben ser capaces de leer (relativamente) grandes valores de voltaje o corriente.

El circuito puente trabaja de la siguiente manera: A medida que la temperatura del termistor aumenta, su resistencia disminuye. Esto altera la relaci�n de la resistencia en el lado derecho y por consiguiente desbalancea el puente (asumiendo que estaba balanceado a principio). De cualquier manera manual o autom�ticamente R3 se ajusta hasta cuando la relaci�n de las resistencias en el lado derecho sea nuevamente igual a la relaci�n de las del lado izquierdo llevando nuevamente el puente al estado balanceado. La posici�n del eje del potenci�metro R3 representa entonces la temperatura, dado que para cada valor de resistencia R4 hay un solo valor de la resistencia R3 que balancear� el puente. El eje de R3 est� unido mec�nicamente a otro eje el cual posiciona el indicador de temperatura.

Cuando se utiliza el m�todo de medida por balance del puente, la escala de temperatura ser� lineal si el transductor es lineal. Una escala de lectura lineal significa que iguales distancias en la escala presentan iguales diferencias de temperatura, o, dicho de otra manera, las marcas en la escala de temperatura est�n todas igualmente espaciadas. Dado que hemos visto que un termistor es bastante no lineal, podr�amos esperar que la escala de temperatura en la figura 3.11 (c) fuese tambi�n no lineal. La no linealidad extrema de los termistores los hacen poco deseados para medir temperaturas en rangos amplios. Sin embargo, para medir temperaturas en bandas estrechas, son bastante utilizados, debido a que proporcionan una gran respuesta a peque�os cambios de temperatura. Esta gran respuesta es tambi�n lo que los hace recomendables en aplicaciones como la descrita en la figura 3.8 (d) para compensar una bucla de termocupla en una banda ligeramente estrecha de temperatura de uni�n fr�a. La gran respuesta del termistor hace f�cil la generaci�n de suficiente compensaci�n.

La no linealidad natural de los termistores puede corregirse parcialmente conectando varios termistores apareados entre s� en una combinaci�n serie – paralelo. El circuito resultante se denomina termistor de red compuesta. Estas redes son bastante lineales sobre un rango de temperatura bastante ancho (alrededor de 200�F), pero naturalmente son m�s costosos que los simples termistores.

Como regla general, los termistores son preferibles cuando se estrecha la banda esperada de temperatura, y las RTDs son preferibles cuando es ancha la banda esperada de temperatura. La mayor�a de los termistores se fabrican para utilizarse en alg�n rango comprendido entre –150�F y +800�F, no obstante, se han desarrollado termistores especiales para ser utilizados a temperaturas extremadamente bajas, cercanas a cero absoluto. Hay disponibles term�metros de RTDs para utilizarse a temperaturas desde –400�F a +2.000�F.

Adem�s de sus usos como medidores de temperatura en un medio externo, los termistores tambi�n tienen aplicaciones que hacen uso del calor generado internamente por el paso de la corriente. En cualquier aplicaci�n de medida de temperatura externa, es importante eliminar el efecto del calor generado internamente por el termistor; esto se logra haciendo que la corriente que lo atraviese sea muy peque�a, sin embargo, la capacidad del termistor para cambiar su propia resistencia a medida que genera energ�a calor�fica debido a I�R puede ser muy �til. Por ejemplo, el termistor autocalentado puede utilizarse para establecer tiempos de retardo, proteger componentes delicados de las sobrecorrientes, detectar la presencia o ausencia de un material t�rmicamente conductor, etc.

FOTOCELDAS Y DISPOSITIVOS FOTOEL�CTRICOS

Las fotoceldas son peque�os dispositivos que producen una variaci�n el�ctrica en respuesta a un cambio en la intensidad luminosa. Las fotoceldas pueden clasificarse bien sea como fotovoltaicas o fotoconductoras.

Una celda fotovolta�ca es una fuente de energ�a cuyo voltaje de salida varia con relaci�n a la intensidad luminosa en su superficie.

Industrialmente, las aplicaciones de las fotoceldas est�n en dos categor�as generales:

�        Para detectar la presencia de un objeto opaco:

1.                  La detecci�n puede hacerse en una base de todo o nada, en la cual el circuito de la fotocelda tiene solamente dos estados de salida, representando bien sea la presencia o la ausencia de un objeto. Esta es la clase de condici�n utilizada para contar piezas que se mueven por una banda transportadora o para impedir que opere un determinado mecanismo si las manos del operador no se encuentran en lugar seguro.

2.                  La detecci�n puede hacerse en una base continua, en la cual el circuito de la fotocelda tiene una salida variable en forma continua, representando la posici�n variable del objeto. Esta es la clase de detecci�n utilizada para "vigilar" el borde de una cinta m�vil de material y evitar que se desv�e demasiado de la posici�n apropiada.

�      Para detectar el grado de translucidez (capacidad para dejar pasar la luz) o el grado de luminiscencia (capacidad para generar luz) de un fluido o un s�lido. En estas aplicaciones el proceso ha sido acomodado de modo que la translucidez o la luminiscencia representan alguna variable importante del proceso. Algunos ejemplos de variables que pueden medirse de esta forma son densidad, temperatura� y concentraci�n de alg�n compuesto qu�mico especifico (mon�xido de carbono, di�xido de carbono, agua, etc.).

La principal ventaja de las fotoceldas sobre otros dispositivos sensores es que no requieren contacto f�sico con el objeto que est�n detectando

Celdas fotovoltaicas

En la figura 3.12 (a) se muestran los s�mbolos utilizados con frecuencia para las celdas fotovolt�icas. Las dos flechas onduladas apuntando a la bater�a encerrada por una circunferencia sugieren que la energ�a luminosa externa produce la acci�n de bater�a. Debido a que las flechas onduladas son engorrosas para dibujar, con frecuencia se utiliza la letra griega l para sugerir una activaci�n luminosa.

En la figura 3.12 (b) se ha graficado el voltaje de salida en circuito abierto versus intensidad luminosa para una celda fotovoltaica t�pica. Note que la gr�fica es logar�tmica en el eje de intensidad luminosa. Esta gr�fica indica que la celda es m�s sensible a bajos niveles de luz, dado que peque�os cambios en la intensidad (digamos de 1 a 10 fc) pueden producir la misma variaci�n en el voltaje de salida que un gran cambio en la intensidad (digamos de 100 a 1 000 fc) a altos niveles de intensidad luminosa

En la figura 3.12 (c) se ha graficado la corriente de salida de una celda fotovoltaica operando en carga para varios valores de resistencia de carga. Como puede, verse una celda fotovoltaica sola no puede entregar mucha corriente. Las corrientes de salida est�n medidas en microamperios en este ejemplo. Sin embargo, para aumentar la capacidad de corriente, las fotoceldas pueden conectarse en paralelo.

Figura 3.12

Un ejemplo de una celda fotovoltaica entregando informaci�n del tipo todo o nada a un circuito l�gico se ilustra en a figura 3.13. En la figura 3.13 (a), la luz proveniente de la fuente luminosa est� reunida y enfocada hacia la celda fotovoltaica, la cual se encuentra montada a cierta distancia. Distancias de 10 pies o m�s no son raras en situaciones industriales. Cuando la celda fotovoltaica es activada por la luz, activa el rel� sensible R, cuyo contacto pasa a la se�al de entrada al circuito l�gico. Si un objeto bloquea el haz luminoso, la fotocelda� desenergiza el rel�, y el circuito l�gico no recibe entrada.

El objeto que bloquea el haz luminoso puede ser cualquiera. Podr�a ser� un objeto m�vil cuyo pasaje se cuenta por un contador electr�nico o mec�nico; podr�a ser un objeto m�vil cuyo pasaje avise a una maquinaria m�s lejana en la l�nea de producci�n que se prepare a recibirlo; podr�a ser una pieza de trabajo o un miembro de una m�quina el cual se supone debe abandonar a la l�nea de producci�n que el circuito l�gico permita que ocurra alg�n otro movimiento.

Figura 3.13

Si la celda fotovoltaica tiene problemas para energizar directamente el rel�, puede operarlo a trav�s de un amplificador a transistor, como se muestra en a figura 3.13 (b). De todas maneras es una buena idea hacer esto, dado que las celdas fotovoltaicas est�n sujetas a fatiga cuando entregan una corriente cercana a su corriente m�xima durante alg�n tiempo. El voltaje y la corriente de salida disminuyen cuando una celda fotovoltaica sufre fatiga.

Algunas veces la fuente luminosa, el dispositivo de enfoque, la fotocelda, el amplificador, est�n todos incluidos en el mismo paquete, como se muestra en la figura 3.13 (c). La luz deja el empaque, atraviesa alguna circunstancia en el espacio, es reflejada por una superficie reflectora, y regresa a trav�s del mismo orificio. Luego es reflejada por un espejo de una v�a e incide sobre la fotocelda. El amplificador, el rel�, y los contactos est�n todos dentro del empaque, de modo que la salida final es la conmutaci�n de los contactos del rel� para indicar si un objeto ha bloqueado o no el haz luminoso.

Con frecuencia el problema radica en que la se�al luminosa no puede distinguirse de la luz del ambiente. El sistema fotoel�ctrico ser�a entonces poco confiable, dado que la celda fotovoltaica puede entregar una salida debida a la luz ambiental. Entonces el sistema indicar�a que no hubo objeto bloqueando el haz cuando de hecho hubo un objeto. Esta es la soluci�n a este problema. En lugar de que la luz pase directamente hacia afuera a trav�s del aparato de enfoque, el haz luminoso es "troceado". Es decir, el haz es interrumpido peri�dicamente con alguna frecuencia especifica por medio de un objeto que se mueve internamente en el empaque entre la fuente luminosa y el orificio de salida.

La mejor forma de hacer esto es instalando un disco rotatorio entre la fuente luminosa y el espejo de una v�a en la figura 3.13 (c). Una parte del disco es transparente y otra parte es opaca, de modo que el haz luminoso alternativamente pasa y es bloqueado a alguna frecuencia constante, usualmente varios cientos de Hertz. Asumamos para prop�sitos de ilustraci�n que el haz luminoso es troceado a una frecuencia de 400 Hz.

Ahora es bastante f�cil distinguir entre la luz ambiental y la verdadera fuente de se�al simplemente sintonizando el amplificador a 400 Hz. Es decir, dise�ar el amplificador de tal manera que no amplificar� se�ales de CD y dar� muy poca amplificaci�n a otras frecuencias que pudiesen entrar por la apertura luminosa (tales como las pulsaciones de 60 a 120 Hz de las l�mparas de mercurio). El amplificador responder� entonces solamente a las se�ales de voltaje de la celda fotovoltaica a la frecuencia de 400 Hz. La �nica manera que una pulsaci�n luminosa alcance la celda es a partir de la verdadera se�al luminosa. Todas las se�ales luminosas extra�as son ignoradas.

La figura 3.14 muestra una aplicaci�n de las celdas fotovoltaicas para medir la translucidez de un l�quido que pasa a trav�s de una celda de muestreo. Supongamos que la translucidez es una indicaci�n segura de alguna impureza en el l�quido. El espejo semitransparente deja pasar la mitad de la luz proveniente de la fuente hacia el l�quido, y la otra mitad de la luz es reflejada a CF1. Solamente la parte de la luz enviada al l�quido puede atravesarlo y alcanzar CF2. Por tanto los voltajes generados por CF1 y CF2 ser�n diferentes, siendo el voltaje de CF1 el mayor.

Las celdas fotovoltaicas 1 y 2 est�n conectadas en un puente tal como lo muestra� la figura 3.14 (b). El� puente es balanceado manual o autom�ticamente ajustando R2. La posici�n final del contacto R2 depender� de la diferencia entre los voltajes de CF1 y CF2, la cual a su vez depende de la concentraci�n de la impureza. De este modo, una vez que haya sido balanceado el puente, cada valor de R2 corresponder� a alg�n cierto valor de concentraci�n de impureza. El eje de R2 esta mec�nicamente unido a eje del indicador, el cual tiene una escala de concentraciones marcadas debajo de �l para una lectura directa.

Este conjunto medidor tiene algunas caracter�sticas de estabilizaci�n que merecen comentarios. Primero, ambas fotoceldas son excitadas por la misma fuente luminosa. Esto elimina la posibilidad de un error debido a que una fuente luminosa cambie de intensidad m�s que la otra. En la figura 3.14, si la fuente luminosa cambia en intensidad debido a envejecimiento de la l�mpara o a variaciones en el voltaje de la fuente, ambas fotoceldas ser�n afectadas igualmente. Este cambio igual es cancelado por la acci�n del puente.

Segundo, las celdas fotovoltaicas son algo sensibles a la temperatura. Es decir, su voltaje de salida depende ligeramente de su temperatura. Sin embargo, si CF1 y CF2 est�n f�sicamente una cerca de la otra, experimentan los mismos cambios de temperatura de modo que cualquier error debido a la temperatura ser� tambi�n cancelado por el puente.

Figura 3.14

Fotoceldas para e1 balanceo autom�tico de un puente.

La figura 3.15 muestra otra utilizaci�n popular de las celdas fotoconductoras. El circuito puente en la figura 3.15 (a) balancea el potenci�metro de medida contra el potenci�metro de posici�n de la v�lvula para brindar un control proporcional. El conjunto galvan�metro y fotocelda presentado en esta figura es un m�todo barato y confiable para realizar el balanceo autom�tico de un puente.

El galvan�metro es un medidor de cero central. Es decir, si no fluye corriente a trav�s de �l, la aguja regresa al centro de la escala. Si la corriente fluye de izquierda a derecha, la aguja se mueve del centro a la derecha; si la corriente fluye de derecha a izquierda, la aguja se mueve del centro hacia la izquierda. Adherida a la aguja hay una veleta muy liviana la cual es opaca. Dos celdas fotoconductoras se encuentran montadas a una peque�a distancia de una cara de la veleta, y hay dos fuentes luminosas montadas a una distancia peque�a de la otra cara de la veleta. Refi�rase a detalle del dibujo en la figura 3.15 (a). Si la aguja del galvan�metro est� centrada, la veleta cubre ambas fotoceldas, haciendo sus resistencias altas.

Figura 3.15

Si la aguja se descentra una cualquiera de las fotoceldas 1 o 2 se descubrir�, dependiendo de la direcci�n del movimiento de la aguja. Cuando una fotocelda es descubierta su resistencia cae dr�sticamente debido a que la luz alcanza su superficie. La disminuci�n de la resistencia pone en conducci�n a uno de los transistores como interruptor en la figura 3.15 (d), energizando uno de los rel�s. Entonces los contactos del rel� hacen que la motov�lvula se abra o se cierre, moviendo el potenci�metro de posici�n de la v�lvula hasta cuando el puente regrese a su posici�n de equilibrio. Cuando el puente est� de nuevo en equilibrio, la corriente por el galvan�metro cae a cero, y la aguja regresa a centro de la escala. Ambas fotoceldas est�n de nuevo en la oscuridad� llevando a corte el transistor que haya sido llevado a conducci�n. El rel� que fue energizado se desenergiza, y la v�lvula permanece en dicha posici�n particular