ACOPLAMIENTO Y AISLAMIENTO OPTICOS

Fototransistores,� Diodos emisores de luz

La figura 3.16 muestra dos maneras de construir un aislador �ptico. La figura 3.16 (a) muestra una fuente luminosa incandescente est�ndar y una celda fotoconductora para efectuar el aislamiento, y la figura 3.16 (b) muestra un diodo emisor de luz (LED) y un fototransistor para efectuar el aislamiento. Veamos algunos usos industriales de los aisladores �pticos y entonces explicaremos el funcionamiento de estos dos dise�os. El dise�o de la figura 3.16 (b), tiene ciertas ventajas sobre el de la figura 3.16 (a), y esas ventajas se har�n resaltar.

Un aislador �ptico es b�sicamente una interfase entre dos circuitos que operan a (generalmente) diferentes niveles de voltaje. El uso industrial m�s com�n de los aisladores �pticos es como convertidor de se�al entre dispositivo piloto de alto voltaje (interruptores de fin de carrera, etc.) y circuitos l�gicos de estado s�lido de bajo voltaje. Los aisladores �pticos pueden utilizarse en cualquier situaci�n donde una se�al deba pasar entre dos circuitos que est�n aislados entre s� el�ctricamente. El aislamiento el�ctrico entre circuitos (lo cual significa que los circuitos no tienen conductores en com�n) es con frecuencia� necesario para evitar que el ruido generado en un circuito sea transmitido al otro. Esto es necesario especialmente para el acoplamiento entre circuitos de adquisici�n de datos de alto voltaje y circuitos l�gicos digitales de bajo voltaje. Los circuitos de informaci�n est�n casi siempre expuestos a fuentes de ruido, y los circuitos l�gicos no pueden tolerar se�ales de ruido.

El m�todo del acomplamiento �ptico elimina la necesidad de un contacto controlado por un rel� o de un transformador de aislamiento, que son los m�todos usuales para proporcionar aislamiento el�ctrico entre circuitos.

Figura 3.16

Aislador� acoplador �ptico de lampara incandescente-celda fotoconductora

El aislador� �ptico de la figura 3.16 (a) tiene una l�mpara incandescente conectada en serie con una resistencia de protecci�n. Esta combinaci�n serie est� conectada a trav�s de un dispositivo piloto a la se�al de 115 V. Si el dispositivo piloto est� abierto, no habr� potencia aplicada a la l�mpara incandescente, de modo que se encontrar� apagada. La celda fotoconductora, que est� aislada de la luz exterior, tendr� una resistencia muy alta, haciendo que suba el voltaje de base del transistor. El transistor como interruptor conduce, llevando Vout al voltaje de tierra, un nivel l�gico 0.

Si el dispositivo piloto se cierra, se aplicar� potencia a la l�mpara haciendo que se ilumine. La resistencia de la celda fotoconductora decrecer� llevando el voltaje de base por debajo de 0.6 V. El transistor pasa a corte y hace que su colector suba a +Vcc, un nivel l�gico 1. Por tanto si est� presente la se�al de entrada de 115 V, el circuito entrega un nivel l�gico alto. Si no est� presente la se�al de 115 V, el circuito entrega un nivel l�gico bajo.

El m�todo de acoplamiento �ptico es superior en muchas aplicaciones, por que nos libra de algunas de las caracter�sticas menos deseables de los rel�s y los transformadores. Los rel�s y los transformadores tienen ciertos inconvenientes como acopladores y aislantes, son:

a)      Son bastante costosos.

b)      Son m�s pesados y voluminosos que los dispositivos �pticos.

c)      Crean campos magn�ticos y transitorios de conmutaci�n que pueden ser fuentes de ruido el�ctrico molesto.

d)      Los contactos del rel� crean chispas, que son muy poco deseables en ciertas situaciones industriales.

El acoplador �ptico funciona igualmente con se�ales de alto voltaje CA o CD. Por esta raz�n, los convertidores de se�al que utilizan acoplamiento �ptico son con frecuencia denominados convertidores universales de se�al.

Aislador/Acoplador de LED Fototransistor

����������� La figura 3.16 (b) muestra un aislador/acoplador que utiliza un diodo emisor de luz y un fototransistor en lugar de una l�mpara incandescente y una celda fotoconductora. Un diodo emisor de luz, generalmente denominado un LED, es un diodo semiconductor que emite luz cuando por �l circula corriente en polarizaci�n directa. El voltaje directo de arranque de un LED es m�s alto que 0.6 V dado que los LED no est�n hechos de silicio como si lo est�n los diodos rectificadores. Generalmente tienen un voltaje de arranque directo que se encuentra en el rango de 1.0 a 2.2 V. Tambi�n, los LED tienen un voltaje inverso de ruptura que es mucho m�s bajo que el de los diodos rectificadores de silicio. La figura 3.17 (a) muestra la caracter�stica corriente – voltaje de un LED t�pico. La figura 3.17 (b) muestra la relaci�n entre la potencia de salida luminosa y la corriente directa para un LED.

Figura 3.17

Un LED de luz visible no es muy brillante comparado con una l�mpara de 6 V #44, por ejemplo. Algunos LED no siempre emiten una luz visible, sino que emiten luz infrarroja invisible al ojo humano. Desde luego ,tales LED deben utilizarse con fotodetectores que sean sensibles a la radiaci�n infrarroja. Esta es la practica est�ndar que se sigue para a construcci�n de acopladores �pticos comerciales dado que el operador de ninguna manera tiene que ver a luz. Tambi�n, los LED infrarrojos son m�s eficientes que los LED de luz visible, convierten mas cantidad de su energ�a el�ctrica en luz y menos en calor.

Un fototransistor es un transistor que responde a la intensidad de la luz en su lente, en lugar de la corriente de base. Algunos fototransistores pueden responder tanto a la luz incidente como a corriente de base. El fototransistor en la figura 3.16 (b) no tiene un terminal de base, de modo que responde solamente a la luz. Las flechas ondulantes apuntando a la base simbolizan que es un fototransistor.

La figura 3. 18 muestra las curvas caracter�sticas de un fototransistor t�pico. Note que la familia de curvas representa diferentes valores de a densidad de potencia luminosa (el t�rmino formal es irradiancia), y no valores diferentes de corriente de base. Los fototransistores no tienen una respuesta tan lineal como la de los transistores de uni�n. Note el espaciamiento no uniforme de las curvas, la cual indica una regi�n no lineal, entre la corriente de colector y la intensidad luminosa.�����

Figura 3.18

�����������

La combinaci�n LED – Fototransistor en la figura 3.16 (b) tiene algunas ventajas importantes sobre la combinaci�n l�mpara – celda fotoconductora de la figura 3016 (a):

a)      Un LED tiene una vida extremadamente larga comparada a una l�mpara de cualquier clase. Un LED emitir� luz por siempre si es operado a la corriente apropiada; una l�mpara incandescente lo har� por menos de 10 000 horas.

b)      Un LED puede resistir las vibraciones y los choques mec�nicos en los ambientes industriales mucho mejor que una l�mpara de filamente, proporcionando con esto una mayor confiabilidad.

c)      El LED y el fototransistor tienen una velocidad de respuesta m�s r�pida que una l�mpara y una celda fotoconductora. Esto puede ser una ventaja para ciertas aplicaciones de conmutaci�n a alta frecuencia.

GALGAS EXTENSIOM�TRICAS

Las galgas extensiom�tricas (Strain gages) se utilizan en la industria para medir con precisi�n grandes fuerzas, especialmente grandes pesos. Tambi�n hay galgas extensiom�tricas dise�adas para medir peque�as fuerzas, pero no son comunes. Una galga extensiom�trica b�sicamente es un hilo de resistencia firmemente adherido a una superficie de un objeto fuerte el cual recibe entonces una fuerza. Cuando es aplicada una fuerza al objeto, este se deforma ligeramente. Es decir, el objeto bien sea se estira ligeramente o se comprime ligeramente, dependiendo de s� recibe una fuerza de tensi�n o de compresi�n. El hilo de resistencia, que est� pegado a la superficie del objeto, tambi�n se deforma ligeramente. La deformaci�n del hilo cambia su resistencia, la cual es detectada y relacionada al valor de la fuerza.

Lo que realmente mide una galga extensiom�trica es el esfuerzo, el cual es el cambio de la longitud del objeto fuerte como un porcentaje de su longitud original. El esfuerzo del objeto pesado representa la fuerza aplicada a objeto a trav�s de la ley de Hooke. La cual establece que:

F/A = Ye = Y (DL/Lo)

Donde F significa la fuerza aplicada al objeto (en la direcci�n de la deformaci�n); A es el �rea de la secci�n del objeto; Y es el m�dulo de young, el cual depende del material en particular de que est� hecho el objeto; y e significa el esfuerzo; el cambio en longitud por unidad de longitud original (e = DL/Lo). El punto importante es que el cambio en la longitud del objeto depende de la fuerza aplicada al objeto y puede relacionarse a dicha fuerza en una correspondencia uno a uno.

La resistencia del hilo que forma la galga extensiom�trica depende de la longitud y de la secci�n del alambre, como se muestra por:

R = r L / A

En esta ecuaci�n, R significa la resistencia del alambre en W; r es la resistividad del material del alambre, una propiedad del material que se usa en particular; L es la longitud del cable; y A es el �rea de la secci�n del conductor. Puede verse que si el conductor es alargado ligeramente, la resistencia R aumentar� dado que la longitud L aumentar� y el �rea A decrecer�. Por el otro lado, si el conductor es comprimido ligeramente, R decrecer� porque la longitud L decrecer� y el �rea de la secci�n aumentar�. Por tanto, la resistencia del conductor depende del cambio en su longitud y puede relacionarse a dicho cambio en longitud en una correspondencia uno a uno.

Para resumir, la resistencia del conductor depende de la longitud y del �rea seccional del alambre y la longitud del alambre depende de la longitud del objeto fuerte, dado que ellos est�n pegados entre s�. La longitud del objeto depende de la fuerza aplicada, de modo que el resultado final es que la resistencia del conductor depende de la fuerza aplicada. Midiendo con precisi�n el cambio de la resistencia, podemos medir la fuerza.

La� figura 3.19 (a)� muestra� una� vista� superior de� una� galga extensiom�trica, formando �ngulos rectos con la superficie de montaje. El hilo de resistencia generalmente es una aleaci�n de cobre y n�quel con un di�metro del orden de una mil�sima de pulgada. El conductor est� colocado en forma de zig-zag sobre un papel de sostenimiento muy delgado denominado la base. El conductor est� colocado en zig-zag con el objeto de aumentar a longitud efectiva que se somete a la influencia del esfuerzo. El zig-zag completo se denomina la grilla. A los extremos de la grilla tiene conectados cables terminales de cobre.

La figura 3.19 (b) muestra una galga extensiom�trica montada sobre la superficie que es sometida al esfuerzo. La base est� colocada totalmente sobre la superficie, y la totalidad de a galga extensiom�trica est� recubierta con un cemento especial. El cemento establece un contacto firme entre la grilla del conductor y la superficie de esfuerzo del objeto pesado. Debido a este contacto firme, y a que el conductor no tiene pr�cticamente ninguna fuerza propia para resistir la enlongaci�n o compresi�n, se alarga o se comprime exactamente la misma cantidad que el objeto fuerte. Por tanto el esfuerzo de la grilla conductora es exactamente el mismo esfuerzo del objeto fuerte.

Figura 3.19

El porcentaje de cambio en la resistencia para un porcentaje dado de cambio en la longitud se denomina factor de galga de una galga extensiom�trica. Como f�rmula,

FG (Factor de galga) = (DR/R)/(DL/L) = (DR/R)/e

����������� La mayor�a de las galgas extensiom�tricas industriales tienen un factor de galga, del orden de 2. Esto significa que si la longitud del objeto cambia en un 1% (e = 0.01), la resistencia de la galga extensiom�trica cambia en un 2%.

En la figura 3.19 (c) se muestra una galga extensiom�trica conectada en un circuito puente. El puente es dise�ado generalmente para que se encuentre en equilibrio cuando la fuerza ejercida sobre el objeto es igual a cero. En una de las ramas del puente se puede agregar un potenci�metro trimmer para ajustarlo y balanceado exactamente a cero fuerza. A medida que se aplica la fuerza, el puente se desbalancea, y el voltaje a trav�s del puente puede relacionarse a la cantidad de fuerza. A m�s fuerza se crea m�s cambio en la resistencia de la galga y por consiguiente m�s voltaje de salida del puente.

Para compensar los efectos de temperatura, una segunda galga extensiom�trica, id�ntica a la primera puede montarse en un �ngulo recto con la l�nea de aplicaci�n de la fuerza. La fuerza no tiene efecto sobre esta galga extensiom�trica dado que la galga no est� alineada con la fuerza. La galga se conecta en el puente tal como se muestra en la figura 3.19 (b) y se denomina galga artificial; la galga sensible a la fuerza se denomina entonces la galga activa. El prop�sito de la galga artificial es el de cancelar cualquier cambio de resistencia en la galga activa debido a la temperatura. Con ambas galgas experimentando la misma temperatura, cualquier cambio de resistencia en la galga activa debido a variaciones de la temperatura tambi�n aparecer� en la galga artificial. Dado que el error aparece por igual a ambos lados del puente, es cancelada.

Para medidas precisas de peso se utiliza un objeto cuidadosamente maquinado y formado, que contiene varias galgas extensiom�tricas. Las galgas est�n colocadas estrat�gicamente sobre las superficies maquinadas a varios �ngulos para proporcionar m�xima estabilidad con temperatura. Las galgas en si mismas est�n dise�adas para proporcionar una relaci�n lineal entre el voltaje de salida del puente y la fuerza (peso) sobre el objeto maquinado. El objeto, en combinaci�n con sus galgas extensiom�tricas se denomina entonces celda de carga. Las balanzas de precisi�n para medir grandes pesos casi siempre tienen celdas de carga como transductores.

TAC�METROS

Un tac�metro es un dispositivo que mide la velocidad angular de rotaci�n de un eje. Las unidades m�s comunes para expresar velocidad angular son revoluciones por minuto (r.p.m.) y radianes por segundo. Un radian es igual a p/2 revoluciones o aproximadamente 57� mec�nicos.

Los tac�metros en la industria utilizan uno de los dos m�todos b�sicos de medida:

a)� La velocidad angular est� representada por la magnitud de un voltaje generado.

b)� La velocidad angular est� representada por la frecuencia de un voltaje generado.

En el dominio de los tac�metros de magnitud hay dos tipos principales. Son el tac�metro generador CD y el tac�metro drag cup.

En el dominio de los tac�metros de frecuencia, hay tres tipos principales. Son el tac�metro CA de campo rotatorio, el tac�metro de rotor dentado y el tac�metro de captador fotoel�ctrico. Estos nombres no son aceptados universalmente, pero describen el funcionamiento de los diferentes tac�metros bastante bien.

Tac�metro generador CD

El tac�metro generador CD es un puro y simple generador CD. El campo se establece bien sea por un im�n permanente colocado en el estator o por un electroim�n de excitaci�n separada tambi�n montado en el estator. El voltaje de salida es generado en un devanado de armadura CD convencional con un conmutador y escobillas. La ecuaci�n que da el voltaje generado en un generador CD es:

V_G = kB (r.p.m.)

Donde V_G representa el voltaje generado, k es alguna constante de proporcionalidad que depende de los detalles de construcci�n (longitud de rotor, di�metro de rotor, etc.), B es la fuerza del campo magn�tico y r.p.m. es la velocidad angular medida en revoluciones por minuto.

Con el campo magn�tico constante, el voltaje generado es proporcional a la velocidad del eje. Es por tanto posible conectar el eje del tac�metro al eje al cual se le quiere medir la velocidad, aplicar el voltaje y calibrar el medidor en t�rminos de r.p.m. Una caracter�stica interesante de un tac�metro generador CD es que la polaridad del voltaje generado se invierte si la direcci�n de rotaci�n se invierte. Por tanto este tipo de tac�metro puede indicar direcci�n de rotaci�n tanto como velocidad.

Tac�metros drag cup

Un tac�metro drag cup tiene dos conjuntos de devanados en su estator y en un �ngulo recto uno con respecto al otro, justo como un servo motor CA. Sin embargo, el rotor no es un rotor jaula de ardilla. Es un cilindro de cobre hueco denominado copa, con un n�cleo interior de hierro laminado, el cual no hace contacto con la copa.� La copa est� unida a eje de entrada del tac�metro y rota a la velocidad que se quiere medir.

Uno de los devanados del estator denominado el devanado de excitaci�n, est� alimentado por una fuente de voltaje CA estable. El otro devanado del estator es el devanado de salida. El devanado de excitaci�n establece un campo magn�tico alterno que induce corrientes de eddy en la copa de cobre. Las corrientes de eddy establecen un campo de reacci�n de armadura en �ngulo recto con el campo de devanado de excitaci�n. El campo en �ngulo recto inducir� entonces un voltaje CA en el devanado de salida cuya magnitud depende de la velocidad de rotaci�n de la copa. El resultado es un voltaje de salida CA que varia linealmente con la velocidad.

La frecuencia del voltaje de salida es igual a la frecuencia de excitaci�n (generalmente 60 Hz), y se encuentra desfasado 90� con respecto al voltaje de excitaci�n. La direcci�n de rotaci�n del eje determina si el voltaje de salida atrasa o adelanta al voltaje de excitaci�n. Por tanto este tac�metro tambi�n puede indicar direcci�n as� mismo que velocidad de rotaci�n.

Todos los tac�metros que cuentan con la magnitud de un voltaje para representar velocidad est�n sujetos a errores causados por tres cosas:

a)      Carga de la se�al. El voltaje entregado por cualquier clase de generador variar� ligeramente a medida que var�e la corriente de carga del devanado de salida. Esto es debido a que la ca�da de voltaje IR en un devanado de salida var�a a medida que su corriente var�a.

b)      Variaci�n de temperatura. A medida que cambia la temperatura, las propiedades magn�ticas del n�cleo var�an, produciendo variaciones en la fuerza del campo magn�tico. En la misma medida que el campo magn�tico var�a lo hace el voltaje generado.

c)      Vibraci�n del eje. A medida que el eje vibra, el espaciamiento preciso entre los devanados de armadura y campo cambia. Este cambio en el espaciamiento produce variaci�n en el voltaje generado.

Los tac�metros modernos tienen ya minimizados estos tres errores y se han producido tac�metros en los cuales la linealidad voltaje-velocidad es mejor que 0.5%. Esto es bastante adecuado para la mayor�a de aplicaciones industriales.

Tac�metros CA de campo rotatorio

El tac�metro CA de campo rotatorio es un puro y simple alternador de campo rotatorio. El campo generalmente es creado por imanes permanentes montados en el rotor. El eje del rotor est� conectado al eje al cual se le quiere medir la velocidad, y por consiguiente el campo magn�tico rotatorio induce un voltaje CA en los devanados de salida localizados en el estator. La ecuaci�n que da la frecuencia del voltaje generado es en un alternador CA es:

f = P (rpm) / 120

����������� donde f es la frecuencia en Hz, P es el n�mero de polos magn�ticos en el rotor, y rpm es la velocidad rotacional. Puede verse que la frecuencia de salida es una medida exacta de la velocidad angular del eje.

Tac�metro de rotor dentado

El tac�metro de rotor dentado es el m�s popular de los tac�metros de frecuencia. Este tac�metro tiene varios dientes ferromagn�ticos en su rotor. En su estator tiene un im�n permanente con una bobina de alambre arrollada alrededor del im�n. Esta distribuci�n est� ilustrada en la figura 3.20, para el rotor con seis dientes.

Figura 3.20

A medida que el rotor gira, los dientes llegan a una proximidad cercana con el im�n y luego lo pasa.� Cuando un diente esta cerca del im�n, la reluctancia del circuito magn�tico es baja de modo que aumenta la fuerza del campo en el n�cleo magn�tico. Cuando no hay diente cercano,� la reluctancia del circuito magn�tico es alta, de modo que disminuye la fuerza del campo en el n�cleo magn�tico. Por tanto es producido un ciclo de fuerza magn�tica cada vez que un diente pasa frente al im�n. Esta variaci�n en la fuerza del campo magn�tico induce un voltaje en la bobina arrollada en el im�n permanente. Se produce un pulso de voltaje por cada diente. Esto se muestra en la figura 3.20 (b).

La relaci�n entre la frecuencia de los pulsos y la velocidad de rotaci�n est� dada por:

Rev/seg��� =�� pulsos/seg 6

dado que toma seis pulsos para representar un revoluci�n. El n�mero de revoluciones por minuto es igual al numero de revoluciones por segundo multiplicado por 60, �

r.p.m.�� = 60 (rev/seg) = 60 (pulsos/seg ,6)

r.p.m. = l0f

donde f representa la frecuencia de los pulsos; cualquiera sea el m�todo de lectura utilizado tendr� que reflejar la ecuaci�n anterior, es decir que la velocidad rotacional es igual a la frecuencia medida multiplicada por un factor de 10. Para un rotor con un n�mero de dientes, el factor ser� diferente.

Tac�metros de captador fotoel�ctrico

Un tac�metro de captador fotoel�ctrico es b�sicamente el mismo dispositivo que Se sugiri� antes para trocear un haz luminoso. Un disco rotatorio se coloca entre la fuente luminosa y la celda fotovoltaica. Parte del disco deja pasar el haz luminoso, y otra parte lo bloquea Por tanto la celda fotovoltaica constantemente es activada y desactivada, a una frecuencia que depende de la velocidad angular del disco. Al conectar el eje del disco con el eje al cual se le quiere medir la velocidad, seria generada una forma de onda de voltaje por la fotocelda. La frecuencia de la forma de onda ser� entonces una medida de la velocidad angular del eje.

Tac�metros de frecuencia versus tac�metros de magnitud

La principal ventaja de los tac�metros de frecuencia es que no est�n sujetos a errores debidos a la carga de salida, variaci�n de temperatura, y vibraci�n del eje. Tambi�n, su linealidad es perfecta. Sin embargo, todos los tac�metros de frecuencia tienen la desventaja la incomodidad para leer la velocidad. Es m�s complicado convertir una frecuencia a una forma le�ble que convertir una magnitud de voltaje en una forma le�ble. Es cierto que los medidores de frecuencia se prestan para le medida y la detecci�n digitales pero los medidores y los indicadores de lectura digitales son mucho m�s complejos que un simple indicador de lectura an�logo. Los circuitos digitales deben repetidamente recorrer el ciclo de a) conteo, b) almacenamiento, c) indicaci�n visual, d) reinicio.

Por otro lado, para un operador actualmente la lectura digital es m�s entendible que una lectura an�loga, porque la persona que toma la lectura no tiene que calcular el valor a partir de una escala. De este modo en cuanto a la lectura concierne, los tac�metros de frecuencia y los de magnitud ambos tienen sus ventajas y desventajas.

Muchas veces en el control industrial la medida de la velocidad se utiliza como una se�al de realimentaci�n. Esto es ciertamente el caso de una sistema de control de velocidad de lazo cerrado, donde la medida de a velocidad es comparada con el valor de referencia para encontrar la se�al de error de velocidad. Tambi�n la medida de velocidad es utilizada realimentaci�n en un sistema de servo control, donde la velocidad de aproximaci�n es utilizada para sustraerla de la se�al de error de posici�n para prevenir sobrepaso, en un proceso denominado rata de amortiguamiento del error, es com�n en los servosistemas. En casos como este la se�al de velocidad debe expresarse como un voltaje an�logo en lugar de c�mo un n�mero digital. Por tanto se prefieren los tac�metros de magnitud ya que proporcionan una se�al an�loga. Aun cuando los tac�metros de frecuencia se pueden demodular o decodificar, para hacerlos an�logos, se prefieren los tac�metros de magnitud a los de frecuencia en la mayor�a de las aplicaciones con realimentaci�n.

TRANSDUCTORES DE� HUMEDAD

Hay muchas operaciones industriales que deben llevarse a cabo bajo condiciones especificas y controladas de contenido de humedad. En muchos casos el contenido de humedad en el ambiente es importante; en otros casos el contenido de humedad en el producto mismo es mas importante para el �xito del proceso industrial. La escala m�s com�n para medir el contenido de humedad del aire es la escala de humedad relativa (HR). Formalmente,� la humedad relativa es� la relaci�n del vapor de agua (humedad) presente en el aire con la m�xima cantidad de vapor de agua que posiblemente podr�a contener el agua.

Higr�metros resistivos

Un higr�metro resistivo es un elemento cuya resistencia cambia con cambios en la humedad relativa del aire en contacto con el elemento. Los higr�metros resistivos generalmente est�n formados por dos electrodos de metal laminado sobre una forma pl�stica. Los electrodos no deben tocarse entre si, y est�n aislados uno del otro por medio de la forma pl�stica. Una soluci�n de cloruro de litio es entonces utilizada para recubrir completamente el dispositivo. Esta construcci�n esta ilustrada en a figura 3.21 (a).

Figura 3.21

A medida que la humedad del aire circundante crece, la pel�cula de cloruro de litio absorbe m�s vapor de agua del aire. Esto hace que su resistencia disminuya marcadamente. Dado que la pel�cula de cloruro de litio est� en contacto estrecho con los dos electrodos de metal, tambi�n decrece marcadamente a resistencia entre los� terminales de los electrodos. La resistencia entre terminales puede entonces relacionarse a la humedad relativa.

Una curva caracter�stica t�pica de resistencia versus humedad relativa para un higr�metro resistivo se muestra en la figura 3.21 (b). Los transductores de higr�metro resistivo no pueden utilizarse en todo el rango de humedades relativas, del 0% a 100%. La mayor�a de ellos tienen un limite de operaci�n segura del orden del 90% de HR. Una exposici�n al aire con una humedad relativa mayoral 90% puede resultar en un exceso de absorci�n de agua por la pel�cula de cloruro de litio, una vez que suceda esto, las caracter�sticas de resistencia de higr�metro son alteradas en forma permanente.

Sicr�metros

Un sicr�metro es un dispositivo de medida de la humedad relativa que tiene dos transductores de temperatura (term�metro).� Uno de los term�metros mide la temperatura de un elemento que est� simplemente localizado en el ambiente. Estos elementos e denomina el bulbo seco. El segundo term�metro mide la temperatura de un elemento que est� circundado por un material fibroso saturado con agua pura. Este elemento se denomina el bulbo h�medo. El aire del ambiente es forzado a fluir sobre el bulbo seco y el bulbo h�medo por medio de un tipo de ventilador. Esta distribuci�n se muestra en la figura 3.22(a).

Los transductores de temperatura mostrados en la figura 3.22 (a) son RTD de hilo de platino. El bulbo seco permanece a la temperatura del aire ambiente en movimiento, de modo que la temperatura del bulbo seco simplemente es igual a la temperatura del ambiente, haciendo caso omiso a su humedad sin embargo el bulbo h�medo, est� m�s fr�o que el bulbo seco debido a la evaporaci�n del agua liquida contenida en el material esponjoso que lo circunda. Entre mayor sea la rata de evaporaci�n del agua, mayor es el efecto de enfriamiento sobre el bulbo h�medo, y m�s baja la lectura de temperatura. La rata de evaporaci�n depende de la humedad relativa del aire en movimiento. Si el aire est� seco (baja humedad relativa), la rata de evaporaci�n ser� grande, y el bulbo h�medo estar� mucho m�s fr�o que el bulbo seco. Si el aire esta h�medo (alta humedad relativa), la rata de evaporaci�n no ser� tan grande, y el bulbo h�medo solamente estar�' un poco mas fr�o que el bulbo seco. La diferencia de temperaturas es por consiguiente una indicaci�n de la humedad relativa del aire. Si el ambiente estuviese al 100% de HR, el material poroso no seria capaz de absorber mas agua, ya que estar�a saturado. Por tanto el agua no podr�a evaporarse del material poroso. Es f�cil razonar a partir de esta condici�n extrema para entender que entre mas seco este' el aire, mejor es su aceptaci�n de agua extra (provocando evaporaci�n).

Figura 3.22

Por tanto entre mas baja sea la humedad relativa, m�s r�pido se evapora el agua del material esponjoso. El porcentaje de humedad relativa puede leerse de una tabla del sicr�metro conociendo dos cosas:

a)� La temperatura del bulbo seco.

b)� La diferencia de temperaturas entre los dos bulbos.

Una tabla de sicr�metros abreviada de este tipo se muestra en la figura 3.22 (b). En los manuales de sicr�metros se dispone de tablas de este tipo mas precisas.

Los sicr�metros pueden utilizarse para tomar lecturas manuales de porcentaje de humedad relativa, o pueden utilizarse en una aplicaci�n de control para mantener autom�ticamente una cierta humedad deseada.

TRANSDUCTORES DE SONIDO

Puesto que el sonido puede existir como una vibraci�n de s�lidos o l�quidos tanto como del aire los transductores que convierten energ�a sonora a energ�a el�ctrica pueden operar de muchos medios diferentes. El transductor de presi�n de aire a voltaje, usado para convertir el sonido en el aire se llama micr�fono. Aquellos transductores que pueden transformar el sonido de las vibraciones de los s�lidos en se�ales el�ctricas se llaman captadores de vibraci�n. Los tipos de micr�fonos mas comunes son los siguientes:

1.�������� Micr�fono de condensador.

2.�������� Micr�fono din�mico.

3.�������� Micr�fono de carb�n.

Los transductores captadores de vibraci�n son en su mayor�a de tipo piezoel�ctrico.

Micr�fonos

Los micr�fonos de condensador realizan la conversi�n mas exacta de las vibraciones del sonido en el aire a se�ales el�ctricas. De esta forma se utilizan como patrones para mediciones ac�sticas precisas.

El principio de basa en el hecho que la capacitancia entre dos conductores cambia si la distancia de separaci�n entre ellos varia. El micr�fono de condensador, emplea un diafragma met�lico como una de las placas del condensador Una placa r�gida de metal hace las veces de la otra placa del condensador. Las variaciones de la presi�n del aire por la onda de sonido diafragma hace que se mueva hacia adentro y hacia afuera. La separaci�n variable entre las dos placas del condensador cambia el valor de la capacitancia. Un voltaje de CD fijo se aplica entre las placas y el cambio de voltaje debido al sonido incide existe como una componente de C.A. s�per impuesta al nivel de CD. La componente de CA posteriormente se amplifica y se entrega al instrumento de medici�n.

Puesto que un condensador aparece como una fuente de alta impedancia la salida de este dispositivo debe de aclopar a un instrumento con una impedancia de entrada muy alta (para reducir los errores por efecto de la carga). Un circuito especial el cual tiene una alta impedancia (Llamado seguidor cat�dico) se emplea a menudo para acoplar la salida a un amplificador.

El micr�fono din�mico reacciona a las vibraciones del sonido en el aire moviendo una bobina de alambre en un campo magn�tico .El movimiento dentro de la bobina, dentro del campo establece un voltaje cambiante en la bobina. Esta se�al se puede amplificar y medir. El micr�fono din�mico tambi�n se puede utilizar al rev�s, produciendo Un sonido al aplicar el voltaje cambiante a la bobina. Este es el principio en el cual se basan los parlantes.

El micr�fono de carb�n detecta el sonido por medio de la variaci�n de la resistencia de gr�nulos de carb�n. La variaci�n de la resistencia ocurre cuando los gr�nulos de carb�n cambian dentro debido a la presi�n de las ondas de sonido. Un diafragma en el frente del micr�fono de carb�n se mueve en respuesta a la presi�n del sonido dentro de un compartimiento. Una corriente de CD se pasa a trav�s del micr�fono y la modulaci�n de la corriente debida a los cambios en la resistencia de los gr�nulos de carb�n se superpone como una se�al de CA a este nivel de CD. Como en el micr�fono de condensador, la se�al de CA se separa despu�s de este nivel de CD y se amplifica antes de entregarla al dispositivo de lectura.

El micr�fono de carb�n casi nunca se utiliza para hacer mediciones exactas de sonido. La no - linealidad de la variaci�n de la resistencia del carb�n evita que la se�al sea una replica fiel de las vibraciones del sonido. Sin embargo, el dispositivo es perfectamente adecuado para la transmisi�n de la voz y se usa como micr�fono en casi todos los tel�fonos. El hecho es que son baratos, altamente confiables y muy fuertes, hace a los micr�fonos de carb�n muy convenientes para este tipo de aplicaciones.

Captadores de vibraciones

Los cristales, piezoel�ctricos son materiales cristalinos que desarrollan un voltaje a trav�s de ellos cuando son deformados. (La deformaci�n necesita ser �nicamente del orden de los micr�metros para producir este efecto). Si la fuerza, aplicada que deforma el cristal tiene una variaci�n con el tiempo de su magnitud (tal como las vibraciones de una pieza de metal unida al cristal piezoel�ctrico), entonces la salida de voltaje del cristal tambi�n tendr� una forma que varia con el tiempo en forma muy similar a como var�a la fuerza.

Los transductores de cristal que emplean el efecto piezoel�ctrico se usan para detectar vibraciones ac�sticas en los s�lidos. Los cristales utilizados para construir captadores de ca normalmente se hacen de cristales de cuarzo de sal de Rochelle. El primero es m�s exacto pero tambi�n m�s costoso que el segundo; sin embargo, los cristales de Rochelle se ven en desventaja por el hecho que se derriten a los 65⁰C y est�n limitados en condiciones de alta humedad. Los micr�fonos de cristal. Con un diafragma hacen este tipo de transductor sensible a las vibraciones del sonido.