*SENSORES GENERADORES*

1.- SENSORES GENERADORES
Se consideran sensores generadores aquellos que generan una señal eléctrica a partir de la magnitud que midan, 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 basa en efecto reversible, están relacionado con diversos tipos de accionadores o aplicaciones inversas en general. Es decir, pueden emplear para la generación de acciones no eléctricas a partir de señales eléctricas.

Algunos de los efectos que pueden producirse inadvertidamente en los circuitos, y ser así fuentes de interferencia, es el caso de los termo electromotrices, de las vibraciones en cables con determinados dieléctricos o de potenciales galvánicos en soldaduras o contactos.

2.- EFECTO RREVERSIBLE

Se define como aquel proceso que una vez ocurrido puede ser revertido a su estado inicial, sin producir cambios en el sistema o sus alrededores. En otras palabras el sistema y alrededores retornan a su estado original sin sufrir variaciones. Los procesos reversibles son idealizaciones de procesos verdaderos.

3.- EFECTO IRREVERSIBLE

Es aquél que supone la imposibilidad, o la dificultad extrema, de retornar a la situación anterior a la acción que lo produce. Este se lleva a cabo el Efecto Joule.

4.- 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.

La conversión de energía por efecto termoeléctrico (en el sentido calor → electricidad o electricidad → calor) se basa a su vez en los efectos Seebeck, Peltier y Thomson.

5.- EFECTO PELTIER

Este efecto realiza la acción inversa al efecto Seebeck. Consiste en la creación de una diferencia térmica a partir de una diferencia de potencial eléctrico. Ocurre cuando una corriente pasa a través de dos metales diferentes o semiconductores (tipo-n y tipo-p) que están conectados entre sí en dos soldaduras (uniones Peltier). La corriente produce una transferencia de calor desde una unión hasta la otra. Una unión se enfría mientras que la otra se calienta. El efecto es utilizado para refrigeración termoeléctrica.

Diagrama esquemático del efecto Peltier


Cuando se hace circular una corriente I a través del circuito, se desprende calor de la unión superior y es absorbido por la unión inferior. El calor de Peltier absorbido por la unión inferior por unidad de tiempo, Q es igual a:

Donde Π es el coeficiente de Peltier ΠAB de la termopareja completa, y ΠA y ΠB son los coeficientes de cada material. El silicio tipo-p tiene un coeficiente Peltier positivo a temperaturas inferiores a 550 K, y el silicio tipo-n tiene un coeficiente Peltier negativo.Los conductores intentan volver al equilibrio electrónico que existía antes de aplicar la corriente. Para ello absorben la energía de un foco y la desprenden en el otro. Las parejas individuales pueden ser conectadas en serie para incrementar el efecto.La dirección de la transferencia de calor es controlada por la polaridad de la corriente. Al invertir la polaridad se cambia la dirección de la transferencia y, como consecuencia, la unión donde se desprendía calor lo absorberá y donde se absorbía el calor lo desprenderá.



6.- EFECTO THOMPSON
Descubierto por William Thompson (Lord Kelvin) en 1847-54, consiste en la absorción o liberación de calor por parte de un conductor homogéneo con temperatura no homogénea por el que circule una corriente (figura 4.3). El calor liberado es proporcional a la corriente, no a su cuadrado, y, por ello cambia de signo al hacerlo el sentido de la corriente. Se absorbe calor al fluir corriente del punto más frío al más caliente, y se libera cuando fluye del más caliente al más frío. En otras palabras, se absorbe calor si la corriente y el calor fluyen en direcciones opuestas, y se libera calor si fluyen en la misma dirección. El flujo neto de calor por unidad de volumen, q, en un conductor de resistividad r, con un gradiente longitudinal de temperatura, dT/dx, por el que circula una densidad de corriente y, será:q=(i^2)r- y s(dT/dx).

Efecto Thompson: al circular una corriente por un conductor homogéneo con temperatura no homogénea, se absorbe o libera calor.

Donde σ es el denominado coeficiente Thompson. El primer término es la expresión del efecto Joule, irreversible, mientras que el segundo expresa el efecto Thompson.Si la corriente que circula por el circuito es suficientemente pequeña para poder despreciar el efecto Joule, se pueden considerar exclusivamente los efectos termoeléctricos reversibles. En este caso, la energía termoelectromotriz producida, (dEAB /dT) ΔT, debe coincidir con la energía térmica neta transformada. Con una temperatura T + ΔT en una unión y T en la otra, el calor absorbido en la unión caliente es πAB (T + ΔT), mientras que el calor liberado en la unión fría es – πAB (T). Por efecto Thompson, se libera en A un calor - σB (ΔT). El balance energético es así:(dEAB/dT)∆T = pAB (T+∆T)-pAB(T) + (sB - sA) ∆TDividiendo ambos términos por ΔT y pasando al límite cuando ΔT tiende a 0, resulta:dEAB/dT=(dpAB/dT)+sB-sADe esta fórmula podemos concluir que el efecto Seebeck es, de hecho, el resultado de los efectos Peltier y Thompson, y expresa el teorema fundamental de la termoelectricidad.Si en un circuito se mantiene una unión a temperatura constante (unión de referencia), la f.t.e.m. será función de la temperatura a que esté sometida la otra unión, que se denomina unión de medida. Los valores correspondientes a la tensión obtenida con determinados termopares, en función de la temperatura de esta unión cuando la otra se mantiene a 0°C, están tabulados. El circuito equivalente es una fuente de tensión con una resistencia de salida distinta en cada rama (la de cada metal).

7.- EFECTO SEEBECK

Históricamente fue primero Thomas J. Seebeck quien descubrió, en 1822, que en un circuito de dos materiales distintos homogéneos, Ay B, con dos uniones a diferente temperatura, aparece una corriente eléctrica, o bien, si se abre el circuito, una fuerza termo electromotriz que depende de los metales y de la diferencia de temperaturas de las dos uniones. Al conjunto de estos dos metales distintos con una unión firme en un punto o una zona se le denomina termopar.

8.- TIPOS DE TERMOPARES

En las uniones de termopar interesa: resistividad elevada para tener una resistencia alta sin requerir mucha masa, lo cual implicaría alta capacidad calorífica y respuesta lenta; coeficiente de temperatura débil en la resistividad; resistencia a la oxidación a temperaturas altas, pues debe tolerar la atmósfera donde van a estar, y linealidad lo mayor posible.Para lograr estas propiedades se emplean aleaciones especiales:Níquel (90)/Cromo(1O) -Cromel-; Cobre(57)/Niquel(43); Níquel(94 )/Aluminio(2 )/Manganeso(3 )/S ilicio( 1) -alumel-; etc.La protección frente al ambiente se logra mediante un encapsulado denominado Vaina que normalmente es acero inoxidable, tal como se indica en la siguiente figura.

La velocidad de respuesta y la robustez de la sonda vendrán afectadas por el espesor del encapsulado. El silicio y el germanio presentan también propiedades termoeléctricas, pero hasta ahora han encontrado aplicación como refrigeradores (elementos Peltier) que como termopares de medida.

9.- CONSTRUCCION DE TERMOPARES

Según la aplicación, se dispone de distintos tipos de uniones:

Distintos tipos de uniones de termopar y sus vainas.

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

Las uniones desnudas se emplean para medidas estáticas, pero son frágiles, o de flujos de gases no corrosivos donde se requiere un tiempo de respuesta rápido. Las uniones aisladas se emplean para medir en ambientes corrosivos donde además interese aislamiento eléctrico del termopar. Éste queda entonces encerrado por la vaina y aislado de ésta por un buen conductor térmico como el aceite, mercurio o polvo metálico. Si se desea respuesta rápida y no hace falta una vaina gruesa. se emplean aislantes minerales como polvo de MgO, Al2 O3 o BeO. Según el grado de compactación del aislante, la respuesta final es más o menos lenta y la temperatura máxima soportada es también distinta. Los termopares aislados también se aplican en medidas a alta presión.Mediante uniones puestas a masa, se pueden medir temperaturas estáticas o de flujos de gases o líquidos corrosivos y, como la unión está soldada a la vaina protectora, la respuesta térmica es más rápida. Pero si la masa es ruidosa, no sirve y hay que aislar térmicamente el termopar. Además, la mayor masa del sensor implica un mayor error por conducción térmica.

10.- NORMAS DE APLICACION PRACTICA POR LOS TERMOPARES

La medición de temperaturas mediante termopares, además de las ventajas e inconvenientes expuestos esta sujeta a una serie de leyes verificadas experimentalmente, que simplifican en gran manera el análisis de circuitos con termopares.

* Ley de los circuitos homogéneos

La medición de temperaturas mediante termopares, además de las ventajas e inconvenientes expuestos anteriormente, está sujeta a una serie de leyes verificadas experimentalmente, que simplifican en gran manera el análisis de circuitos con termopares.En un circuito de un único metal homogéneo, no se puede mantener una corriente termoeléctrica mediante la aplicación exclusiva de calor aunque se varíe la sección transversal del conductor.

En la figura anterior se presenta el significado de esta ley. En la figura las temperaturas T3 y T4 no cambian la f.t.e.m. debida a T1 y T2. En particular, si T1= T2 y se calientan A o B, no fluye corriente alguna. En otras palabras, las temperaturas intermedias a que pueda estar sometido cada conductor no alteran la f.t.em debida a una determinada diferencia de temperatura entre las uniones (figura 4.6b). Sin embargo, 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. Se emplean los denominados cables de compensación, los cuales son de metales que, siendo más económicos que los del termopar, no presentan f.t.e.m. significativas. Son, sin embargo, de 3 a 4 veces más caros que los cables de cobre.

* Ley de los Metales Intermedios

La suma algebraica de las f.t.e.m. en n circuito compuesto de un número cualquiera de metales distintos es cero si todo el circuito está a una temperatura uniforme. Esto significa que se puede intercalar un instrumento de medida sin añadir errores, siempre y cuando las nuevas uniones estén a la misma temperatura.El instrumento se puede intercalar en un conductor o un una unión. En el cuadro que se muestra se dan las fuerzas Termoelectromotrices de diversos metales y aleaciones respecto al cobre., que es el elemento de conexión más común en circuitos electrónicos. El elevado valor correspondiente al óxido de cobre indica claramente la necesidad de mantener los contactos limpios.

Ley de los metales intermedios en circuitos de termopares

- Fuerzas termoelectromotrices respecto al cobre

Un corolario de esta ley es que si se conoce la relación térmica de dos metales distintos con un tercero, se puede encontrar la relación entre los dos primeros (en la figura siguiente). Por lo tanto, no hace falta calibrar todos los posibles pares de metales para conocer la temperatura correspondiente a la f.t.e.m. detectada con una par determinado. Basta con conocer su comportamiento con un tercero. Se ha convenido en tomar el platino como referencia.

Corolario de la ley de los metales intermedios en circuitos de termopares



* Ley de las temperaturas sucesivas o intermedias

Si dos metales homogéneos distintos producen una f.t.e.m. E1 cuando las uniones estan a T1 y T2 y una f.t.e.m. E2 cuando las uniones estan a T2y T3 la f.t.e.m. cuando las uniones esten a T1 y T2 sera E1 + E2. Esto significa por ejemplo que la unión de referencia no tiene porque estar a 0ºC sino que puede usarse otra temperatura de referencia.

11.- EFECTO DE LA TEMPERATURA AMBIENTE EN LA UNIÓN DE REFERENCIA DE LOS TERMOPARES

Un termopar convencional con un tubo de protección metálico se encuentra sometido a una diferencia de temperatura, pues una parte de él está en contacto con el proceso y la otra extremidad en contacto con el ambiente, cada una de ellas a cierta temperatura. Es inevitable, por tanto, que por el conjunto sensor/tubo de protección exista un flujo de calor que parte de la región de mayor temperatura hacia la de menor temperatura. El equilibrio ocurre cuando el flujo de calor recibido por el sensor es igual al que se ha perdido, por lo que en tal situación su temperatura no es necesariamente igual a la temperatura del proceso.

12.- COMPENSACIÓN DE LA UNIÓN DE REFERENCIA EN CIRCUITOS DE TERMOPARES

Para aplicar el efecto Seebeck a la medida de temperatura, es necesario mantener a una de las uniones a una temperatura de referencia. Una solución consiste en disponer la unión de referencia en hielo fundente tal como se indica en la figura.

Medida de temperatura mediante termopares con una unión mediante temperatura de referencia constante.

Medida de temperatura con dos uniones a temperatura constante, basada en hilos de conexión de metales comunes.

La solución de ésta figura permite emplear un hilo de conexión mas económico (cobre), si bien sigue siendo una solución cara por la necesidad de mantener una temperatura de referencia constante.Si el margen de variación de la temperatura ambiente es menor que la resolución deseada, puede dejarse la unión de referencia simplemente al aire. En caso, contrario se emplea la denominada compensación electrónica de la unión de referencia, ver figura.

Esta figura, consiste en dejar que la unión de referencia sufra las variaciones de la temperatura ambiente, pero éstas se detectan con otro sensor de temperatura, dispuesto en la vecindad de la unión de referencia, y se suma una tensión igual a la generada en la unión fría.La tensión de alimentación del puente debe ser estable y puede ser, por ejemplo, la de una pila de mercurio o la de un generador electrónico de una tensión de referencia estable.Hay circuitos integrados que miden la temperatura ambiente y ofrecen una tensión de compensación para distintos termopares. El LT1025 se puede aplicar a termopares E, J, D, R, S y T. Los AD594 y AD595 integran, además de la compensación (para termopares J y K, respectivamente), un amplificador de instrumentación.

13.- 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 400ºC
- F.E.M. producida: -6,258 mV a 20,872 mV

Características: 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 760ºC
- F.E.M. producida: -8,096 mV a 42,919 mV

Características: 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 1000ºC
- F.E.M. producida: -9,835 mV a 76,373 mV

Características: 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 1200ºC
- F.E.M. producida: -6,458 mV a 48,838 mV

Características: 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 1300ºC
- F.E.M. producida: -4,345 mV a 47,513 mV

Características: 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 S
- Termoelemento positivo: Pt90%, Rh10%
- Termoelemento negativo: Pt100%
- Rango de utilización: -50ºC a 1768ºC
- F.E.M. producida: -0,236 mV a 18,693 mV

Características: 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 R
- Termoelemento positivo: Pt87%, Rh13%
- Termoelemento negativo: Pt100%
- Rango de utilización: -50ºC a 1768ºC
- F.E.M. producida: -0,226 mV a 21,101 mV

Características: 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 B
- Termoelemento positivo: Pt70,4%, Rh29,6%
- Termoelemento negativo: Pt93,9%, Rh6,1%
- Rango de utilización: 0ºC a 1820ºC
- F.E.M. producida: 0,000 mV a 13820 mV

Características: 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.

14.- SENSORES PIEZOELÉCTRICOS

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 de modo que al aplicar una diferencia de potencial eléctrico entre dos caras de un material piezoeléctrico, aparece una deformación. Ambos efectos fueron descubiertos por Jacques y Pierre Curie en 1880.Todos los materiales ferroeléctricos son piezoeléctricos, pero no al revés. Mientras la piezoelectricidad está relacionada con la estructura cristalina (iónica), el ferromagnetismo está relacionado con el espín de los electrones.




15.- SENSORES PIROELÉCTRICOS

El sensor piroelectrico esta hecho de un material cristalino que genera una pequeña carga eléctrica cuando es expuesto al calor en forma de radiación infrarroja. Cuando la cantidad de radiación es notable el cristal cambia, la cantidad de carga también cambia y puede entonces ser medida con un sensible dispositivo FET construido dentro del sensor. Los elementos del sensor son sensibles a la radiación en un amplio rango entonces se agrega una ventana que actúa como filtro para limitar la radiación de llegada a un rango de 8 a 14 micras donde es mas sensible a la radiación del cuerpo humano.

Esquema general

16.- 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.

Existen cuatro tipos de sensores fotoeléctricos, los cuales se agrupan según el tipo de detacción, estos so: de barrera, reflez, autoreflex, y de fibra óptica.

Sensores de barrera: cuando existe un receptor y un emisor apuntados uno al otro. Este método tiene el más alto rango de detección (hasta unos 60m).

Sensores Reflex: cuando la luz es reflejada por un reflector especial cuya particularidad es que devuelve la luz en el mismo ángulo que la recibe (9m de alcance).

Sensores Auntoreflex: son prácticamente iguales a los del tipo anterior, excepto que, el emisor tiene un lente que polariza la liz en un sentido y el receptor con polarización de 90º del primero. Con esto, el control no responde a objeto muy brillosos que pueden reflejar la señal emitida.

Sensores de fibra óptica: en este tipo, el emisor y receptor están interconstituidos en una caja que puede estar a varios metros del objeto a sensar. para la detección emplean los cables de fibra óptica por donde circula el haz de luz emitido y recibido. La mayor ventaja de estos sensores es el pequeño volumen o espacio ocupado en el área de detección.

Aplicaciones:
Detección de piezas, detección de nivel, detección de objetos pequeños, conteo de piezas, detección de objetos brillantes, detección de objetos oscuros, detección de personas.