SENSORES GENERADORES

DEFINICIÓN DE SENSORES GENERADORES

Se consideran sensores generadores aquellos que generan una señal eléctrica a partir de la magnitud que miden, sin necesidad de una alimentación eléctrica. Ofrecen una alternativa para medir muchas de las magnitudes ordinarias, sobre todo temperatura, fuerza y magnitudes afines. Pero, además, dado que se basan en efectos reversibles, están relacionados con diversos tipos de accionadores o aplicaciones inversas en general. Es decir, se pueden emplear para la generación de acciones no eléctricas a partir de señales eléctricas.Se exponen también los sensores fotovoltaicos y algunos de magnitudes químicas para las que hasta el momento se han visto pocas posibilidades de medida. Algunos de los efectos que se describen aquí pueden producirse inadvertidamente en los circuitos, y ser así fuente de interferencias. Es el caso termoelectromotrices, de las vibraciones en cables con determinados dieléctricos o de potenciales galvánicos en soldaduras o contactos. La descripción de los fenómenos asociados, con vistas a la transducción, permite su análisis cuando se trate de reducir interferencias.

QUE ES EFECTO REVERSIBLE

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Aquél en el que la alteración que supone puede ser asimilada por el entorno de forma medible, a medio plazo, debido al funcionamiento de los procesos naturales de la sucesión ecológica, y de los mecanismos de autodepuración del medio.

EFECTO IRREVERSIBLE

Se basa en la aparición de una señal a, a partir de una señal b, se denomina efecto irreversible cuando a partir de la señal b, no se puede generar la señal a.


QUE ES EFECTO TERMOELECTRICO

El efecto termoeléctrico en un material relaciona el flujo de calor que lo recorre con la corriente eléctrica que lo atraviesa. Este efecto es la base de las aplicaciones de refrigeración y de generación de electricidad: un material termoeléctrico permite transformar directamente el calor en electricidad, o bien generar frío cuando se le aplica una corriente eléctrica. Los sensores que utilizan este efecto se llaman sensores termoeléctricos o también son llamados termopares.


DEFINA CON TEXTO Y CON GRÁFICOS EL EFECTO THOMPSON

El efecto Peltier consiste en el calentamiento o enfriamiento de la unión entre dos metales al pasar una corriente por ella (figura). Ocurre que si se invierte el sentido de la corriente, se invierte también el sentido del flujo de calor, es decir, si una unión antes se calentaba, al cambiar el sentido de la corriente se enfriará. Además, este efecto tiene un comportamiento lineal que viene dado por el coeficiente Peltier, πAB, que representa el calor generado en la unión entre A y B por unidad de corriente que circula de B a A.

Y para una unión a temperatura absoluta T, se demuestra que:

DEFINA CON TEXTO Y CON GRÁFICOS EL EFECTO THOMPSON

Descubierto por William Thomson (Lord Kelvin) en 1847, consiste en la absorción o liberación de calor por parte de un conductor homogéneo con temperatura no homogénea por el que circula una corriente. El calor liberado es proporcional a la corriente. Se absorbe calor cuando la corriente fluye del punto más frío al más caliente y se libera cuando fluye del más caliente al más frío.

La potencia calorífica neta q por unidad de volumen en un conductor de resistividad r, con un gradiente longitudinal de temperatura dT/dx (ºC/m), por el que circula una densidad de corriente i, será:

Donde σ es el denominado coeficiente de Thomson.

DEFINA CON TEXTO Y CON GRÁFICOS EL EFECTO SEEBECK

El efecto Seebeck, descubierto por el físico alemán Thomas Johann Seebeck (1770 – 1831), se refiere a la emisión de electricidad en un circuito eléctrico compuesto por conductores diferentes, mientras estos tienen diferentes temperaturas. Los conductores se conectan en serie. La diferencia de temperatura causa un flujo de electrones en los conductores, se dice que el flujo inicia directamente desde el área de mayor temperatura hacia la de menor temperatura. En el punto de contacto de los conductores se presenta una diferencia de potencial. La magnitud de la termoelectricidad depende del tipo de material de los conductores, la temperatura de contacto y no depende de la temperatura que se distribuye a lo largo del conductor. La termoelectricidad permite evaluar los termopares por el coeficiente de Seebeck para diferentes materiales con un rango desde +43 hasta –38 mV/grado.

Efecto Seebeck (Thomas J. Seebek 1822).
En un circuito de dos metales distintos y homogéneos, A y B, con dos uniones a diferentes temperatura.
Aparece una corriente eléctrica Fig. Es decir hay una conversión de energía térmica a energía eléctrica. Si el circuito está abierto aparece una fuerza termoelectromotriz que depende de los dos metales y de las temperaturas entre las uniones.
El producto que más utiliza este fenómeno son los denominados “termopares” que sirven como sensores de temperatura, también las llamadas termopilas que son un arreglo de varios termopares en seria para medir temperatura básicamente.

Efecto Seebeck en un termopar: aparece una corriente (a) o una diferencia de potencial (b) cuando hay dos uniones adistinta temperatura. Al conjunto de la unión de estos dos metales de le denomina termopar.

TIPOS DE TERMOPARES

Tipo K (Cromo (Ni-Cr) Chromel / Aluminio (aleación de Ni -Al) Alumel): con una amplia variedad de aplicaciones, está disponible a un bajo costo y en una variedad de sondas. Tienen un rango de temperatura de -200 ºC a +1.372 ºC y una sensibilidad 41µV/°C aprox.

Tipo E (Cromo / Constantán (aleación de Cu-Ni)): No son magnéticos y gracias a su sensibilidad, son ideales para el uso en bajas temperaturas, en el ámbito criogénico. Tienen una sensibilidad de 68 µV/°C.

Tipo J (Hierro / Constantán): debido a su limitado rango, el tipo J es menos popular que el K. Son ideales para usar en viejos equipos que no aceptan el uso de termopares más modernos. El tipo J no puede usarse a temperaturas superiores a 760 ºC ya que una abrupta transformación magnética causa una descalibración permanente. Tienen un rango de -40ºC a +750ºC y una sensibilidad de ~52 µV/°C.

Tipo N (Nicrosil (Ni-Cr-Si / Nisil (Ni-Si)): es adecuado para mediciones de alta temperatura gracias a su elevada estabilidad y resistencia a la oxidación de altas temperaturas, y no necesita del platino utilizado en los tipos B, R y S que son más caros. Por otro lado, los termopares tipo B, R y S son los más estables, pero debido a su baja sensibilidad (10 µV/°C aprox.) generalmente son usados para medir altas temperaturas (superiores a 300 ºC).

Tipo B (Platino (Pt)-Rodio (Rh)): son adecuados para la medición de altas temperaturas superiores a 1.800 ºC. El tipo B por lo general presentan el mismo resultado a 0 ºC y 42 ºC debido a su curva de temperatura/voltaje.

Tipo R (Platino (Pt)-Rodio (Rh)): adecuados para la medición de temperaturas de hasta 1.300 ºC. Su baja sensibilidad (10 µV/°C) y su elevado precio quitan su atractivo.

Tipo S (Platino / Rodio): ideales para mediciones de altas temperaturas hasta los 1.300 ºC, pero su baja sensibilidad (10 µV/°C) y su elevado precio lo convierten en un instrumento no adecuado para el uso general. Debido a su elevada estabilidad, el tipo S es utilizado para la calibración universal del punto de fusión del oro (1064,43 °C). Los termopares con una baja sensibilidad, como en el caso de los tipos B, R y S, tienen además una resolución menor. La selección de termopares es importante para asegurarse que cubren el rango de temperaturas a determinar. La siguiente tabla 1 muestra los tipos habituales del termopar, aleaciones y el rango de temperatura en el que puede operar.

Tipo de Termopar

Estos termopares son de tipo estándar y tiene los siguientes códigos de colores de acuerdo al tipo descrito en la tabla 1 para su fácil conexión a los instrumentos o dispositivos de medición de temperatura.



CONSTRUCCIÓN DE LOS TERMOPARES


TermopilasConsiste en varios termopares en serie, donde todas las junturas de referencia están a la misma temperatura. El efecto de conectar n termopares juntos en serie es que la fem se incrementa en un factor n.

Termopar diferencial

Termopar intrínseco
El material cuya temperatura se desea medir.

NORMAS DE APLICACIÓN PRÁCTICA POR LOS TERMOPARES

Ley de los circuitos homogéneos En un circuito con un único metal homogéneo, no se puede mantener una corriente termoeléctrica mediante la aplicación exclusiva de calor, aunque varíe la sección transversal del conductor.

Las temperaturas intermedias, a que pueda estar sometido cada conductor, no alteran la fuerza termoelectromotriz debida a una determinada diferencia de temperatura entre uniones. Esto no significa que si hay distintas temperaturas a lo largo de un circuito se tengan que emplear necesariamente hilos de extensión largos iguales a los del termopar. En su lugar se emplean los denominados cables de compensación, que son más baratos que los del termopar y añaden fuerzas termoelectromotrices despreciables.

Ley de los Metales Intermedios En un circuito compuesto por un número cualquiera de metales distintos, si se intercala un conductor y sus dos contactos con el circuito permanecen a la misma temperatura, la tensión añadida al circuito con la incorporación de estos dos contactos es cero. Esto significa que se puede incorporar al circuito un instrumento de medida sin añadir errores. El instrumento se puede intercalar en un conductor o en una unión.

Una consecuencia de esta ley es que si se conoce la relación térmica de dos metales con un tercero, se puede encontrar la relación entre los dos primeros. Por lo tanto, no es preciso calibrar todos los posibles pares de metales para obtener su tabla tensióntemperatura. Basta con conocer el comportamiento de cada metal con respecto a uno tomado como referencia (platino)

Ley de las temperaturas sucesivas o intermedias
Si dos conductores homogéneos distintos producen una fuerza termoelectromotriz E1 cuando las uniones están a T1 y T2, y una fuerza termoelectromotriz E2 cuando las uniones están a T2 y T3, la fuerza termoelectromotriz cuando las uniones están a T1 y T3 será E1 + E2.


Esto tiene una consecuencia importante: la unión de referencia no tiene por qué estar a 0ºC, es decir, puede usarse otra temperatura de referencia. Incluso no tiene que ser fija siempre que sea conocida.
Haciendo uso de estas leyes es fácil analizar circuitos como el de la figura. Éste se trata de la conexión serie de varios termopares, lo que constituye una termopila. La tensión de salida será la suma de las tensión de cada termopar aislado (tres en total).

EFECTO DE LA TEMPERATURA AMBIENTE EN LA UNIÓN DE REFERENCIA DE LOS TERMOPARES

el efecto que causa es un error proporcionado por la misma temperatura ambiente que se suma a la temperatura de la union del termopar, entonces no se está midiendo directamente la temperatura deseado sino que hay que pasar la medida por un circuito de acondicionamiento y restar la fraccion de error que esta generando la temperatura ambiente. Lo ideal seria medir con referencia 0ºC.

COMPENSACIÓN DE LA UNIÓN DE REFERENCIA EN CIRCUITOS DE TERMOPARES

Para aplicar el efecto Seebeck a la medida de temperaturas, es necesario mantener una de las uniones a la temperatura de referencia. Una solución consiste en introducir la unión de referencia en hielo fundente, Esta solución, aunque de gran exactitud, es poco práctica pues no se va a cargar con un tobo de hielo cada vez que se requiera de una medicion. Lo más frecuente es emplear la denominada compensación electrónica de la unión de referencia. Consiste en dejar la unión fría a la temperatura ambiente y medir esta con otro sensor dispuesto en sus cercanías. A la tensión del termopar se le suma la tensión que corresponde a la temperatura ambiente. De forma que es como si la unión fría estuviera a 0ºC. Cuando el punto cuya temperatura se quiere medir está alejado, se suelen utilizar los cables de compensación para conectar el termopar con el sistema de medida. Estos cables son mucho más baratos que los del termopar y no introducen una tensión apreciable en el circuito aunque los extremos estén a temperaturas diferentes.



EXPLICACIÓN DE LA TABLA ESTANDAR DE TERMOPARES

Los termopares comerciales se designan por letras (T, E, J, K, R) que identifican los materiales que contienen y se especifican generalmente por su sensibilidad o coeficiente térmico (MV/ºC
El tipo E, J, K, y T son termopares de base metálica y se pueden utilizar hasta por encima de 1000°C. El tipo S, R, y B se denominan termopares nobles por poseer platino como elemento básico y se pueden utilizar hasta por encima de 2000°C.
Termopar tipo T (Cu- Constantan)Termoelemento positivo: Cu 100%Termoelemento negativo: Cu55%, Ni45%Rango de utilización: -270ºC a 400ºCF.E.M. producida: -6,258 mV a 20,872 mVCaracterísticas: puede utilizarse en atmósferas inertes, oxidables o reductoras. Gracias a la gran homogeneidad con que el cobre puede ser procesado, se obtiene una buena precisión. En temperaturas superiores a 300ºC, la oxidación del cobre se torna muy intensa, lo que reduce su vida útil y ocasiona desvíos en la curva de respuesta original.

Termopar tipo J (Fe- Constantan)Termoelemento positivo: Fe99,5%Termolemento negativo: Cu55%, Ni45%Rango de utilización: -210ºC a 760ºCF.E.M. producida: -8,096 mV a 42,919 mVCaracterísticas: puede utilizarse en atmósferas neutras, oxidables o reductoras. No se recomienda en atmósferas muy húmedas y a bajas temperaturas el termoelemento positivo se vuelve quebradizo. Por encima de 540ºC el hierro se oxida rápidamente. No se recomienda en atmósferas sulfurosas por encima de 500ºC.

Termopar tipo E (Cr- Constantan)Termoelemento positivo: Ni90%, Cr10%Termolemento negativo: Cu55%, Ni45%Rango de utilización: -270ºC a 1000ºCF.E.M. producida: -9,835 mV a 76,373 mVCaracterísticas: Puede utilizarse en atmósferas oxidables, inertes o al vacío, no debe utilizarse en atmósferas alternadamente oxidables y reductoras. Dentro de los termopares a menudo utilizados, es el que posee mayor potencia termoeléctrica, bastante conveniente cuando se desea detectar pequeñas variaciones de temperatura.

Termopar tipo K (Cr- Constantan)Termoelemento positivo: Ni90%, Cr10%Termoelemento negativo: Ni95%, Mn2%, Si1%, Al 2%Rango de utilización: -270ºC a 1200ºCF.E.M. producida: -6,458 mV a 48,838 mVCaracterísticas: Puede utilizarse en atmósferas inertes y oxidables. Por su alta resistencia a la oxidación se utiliza en temperaturas superiores a 600ºC y en algunas ocasiones en temperaturas por debajo de 0ºC. No debe utilizarse en atmósferas reductoras y sulfurosas. En temperaturas muy altas y atmósferas pobres en oxigeno ocurre una difusión del cromo, lo que ocasiona grandes desvíos de la curva de respuesta del termopar. Este último efecto se llama “green - root".

Termopar tipo N (Nicrosil - Nisil)Termoelemento positivo: Ni84,4%, Cr14,2%, Si1,4%Termoelemento negativo: Ni95,45% Si4,40%, Mg0,15%Rango de utilización: -270ºC a 1300ºCF.E.M. producida: -4,345 mV a 47,513 mVCaracterísticas: Este nuevo tipo de termopar es un sustituto del termopar tipo K que posee una resistencia a la oxidación superior a éste. En muchos casos también es un sustituto de los termopares a base de platino a raíz de su temperatura máxima de utilización. Se recomienda para atmósferas oxidables, inertes o pobres en oxígeno, ya que no sufre el efecto “green - root”. No debe exponerse a atmósferas sulfurosas.
Termopar tipo STermoelemento positivo: Pt90%, Rh10%Termoelemento negativo: Pt100%Rango de utilización: -50ºC a 1768ºCF.E.M. producida: -0,236 mV a 18,693 mVCaracterísticas: Puede utilizarse en atmósferas inertes y oxidables, presenta estabilidad a lo largo del tiempo en temperaturas elevadas, superiores a las de los termopares no constituidos de platino. Sus termoelementos no deben exponerse a atmósferas reductoras o con vapores metálicos. Nunca deben insertarse directamente en tubos de protección metálicos, pero sí en tubos con protección de cerámica. Fabricado con alúmina (Al2O3) de alto contenido de pureza. Para temperaturas superiores a 1500ºC se utilizan tubos de protección de platino. No se recomienda el uso de los termopares de platino en temperaturas abajo de 0ºC debido a la inestabilidad en la respuesta del sensor. En temperaturas por encima de 1400ºC ocurre crecimiento de granulaciones que los dejan quebradizos.

Termopar tipo RTermoelemento positivo: Pt87%, Rh13%Termoelemento negativo: Pt100%Rango de utilización: -50ºC a 1768ºCF.E.M. producida: -0,226 mV a 21,101 mVCaracterísticas: Posee las mismas características del termopar tipo "S", aunque en algunos casos es preferible el tipo "R" por tener una potencia termoeléctrica mayor en un11%.


Termopar tipo BTermoelemento positivo: Pt70,4%, Rh29,6%Termoelemento negativo: Pt93,9%, Rh6,1%Rango de utilización: 0ºC a 1820ºCF.E.M. producida: 0,000 mV a 13820 mVCaracterísticas: Puede ser utilizado en atmósferas oxidables, inertes y por un corto espacio de tiempo en el vacío. Normalmente se utiliza en temperaturas superiores a 1400ºC, por presentar menor difusión de rodios que los tipos S y R. A temperaturas abajo de los 50ºC la fuerza electromotriz termoeléctrica generada es muy pequeña.

SENSORES PIEZOELÉCTRICOS

La palabra "piezo" se deriva del griego que significa "prensar" y el efecto piezoeléctrico es la producción de electricidad mediante la presión. Solamente ocurre en ciertos materiales cristalinos y cerámicos que tienen como propiedad el presentar el efecto piezoeléctrico cuyo principio de funcionamiento consiste en la aparición de una polarización eléctrica bajo la acción de un esfuerzo.Es un efecto reversible ya que al aplicar una diferencia de potencial eléctrico entre dos caras de un material piezoeléctrico, aparece una deformación. Estos efectos fueron descubiertos por Jacque y Pierre Currie en 1880-81, pero solo hasta 1950 con la invención de las válvulas de vacío tuvo una aplicación práctica como sensor, ya que los cristales contaban con una alta impedancia de salida.

SENSORES PIROELÉCTRICOS

El efecto piroeléctrico es análogo al piezoeléctrico, pero en lugar de la aparición 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.Este efecto se aplica sobre todo a la detección de radiación térmica a temperatura ambiente. Para ello se disponen dos electrodos metálicos en dirección perpendicular a la de polarización, formándose un condensador que actúa como sensor térmico. Cuando el detector absobe radiación cambia su temperatura y con ella su polarización, produciendo una carga superficial en las placas del condensador.Dado que la piroelectricidad, al igual que la piezoelectricidad, se basa en la anisotropía de los cristales, muchos materiales piezoeléctricos son también piroeléctricos.

SENSORES FOTOELÉCTRICOS

Un Sensor fotoeléctrico es un dispositivo electrónico que responde al cambio en la intensidad de la luz. Estos sensores requieren de un componente emisor que genera la luz, y un componente receptor que “ve” la luz generada por el emisor. Todos los diferentes modos de sensado se basan en este principio de funcionamiento. Están diseñados especialmente para la detección, clasificación y posicionado de objetos; la detección de formas, colores y diferencias de superficie, incluso bajo condiciones ambientales extremas.