Sensores Generadores

Son aquellos que convierten parte de la energía a la que son sensibles en energía eléctrica. Algunos de los más representativos: Termopares, piezoeléctricos y fotodiodos. Según el aporte de energía, los sensores se pueden dividir en moduladores y generadores. En los sensores moduladores o activos, la energía de la señal de salida procede, en su mayor parte, de una fuente de energía auxiliar y la entrada sólo controla la salida.

En los sensores generadores o pasivos, en cambio, la energía de salida es suministrada por la entrada. Los sensores moduladores requieren en general más hilos que los generadores, ya que la energía de alimentación suele suministrarse mediante hilos distintos a los empleados para la señal. Además, esta presencia de energía auxiliar puede crear un peligro de explosiones en algunos ambientes. Por contra, su sensibilidad se puede modificar a través de la señal de alimentación, lo que no permiten los sensores generadores

Efecto Reversible

Se basa en la aparición de una señal a, a partir de una señal b, se denomina efecto reversible cuando a partir de la señal b, se puede generar la señal a. Todos los sensores generadores se basan en procesos o efectos reversibles. Los efectos reversibles más importantes son el efecto Peltier y el efecto Thompson.

Efecto Irreversible

El efecto irreversible se refiere a la imposibilidad de retornar a la situación anterior a la acción que lo produce. No se refiere solo a imposibilidad, sino también a dificultad extrema de reversibilidad. Los sensores generadores no se basan en efecto irreversibles por las implicaciones que esto conlleva, no poder volver al punto anterior, repetir una medición bajo las mismas condiciones, etc. Sin embargo, existen efectos irreversibles que son una forma de perder energía sin poder recuperarla como el efecto Joule.

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. El primer efecto termoeléctrico fue descubierto por el físico alemán Thomas Johann Seebeck en 1821. Seebeck se dio cuenta de que una aguja metálica es desviada cuando se la sitúa entre dos conductores de materiales distintos unidos por uno de sus extremos y sometidos a una diferencia de temperatura.

Este efecto es de origen eléctrico, ya que al unir dos materiales distintos y someterlos a una diferencia de temperatura aparece una diferencia de potencial. La principal aplicación práctica del efecto Seebeck es la medida de temperatura mediante termopares. Unos años más tarde, en 1834, el físico francés Jean-Charles Peltier descubrió el segundo efecto termoeléctrico: en la unión de dos materiales diferentes sometidos a una corriente eléctrica aparece una diferencia de temperaturas. El físico inglés William Thomson demuestra en 1851 que los efectos Seebeck y Peltier están relacionados: un material sometido a un gradiente de temperatura y recorrido por una corriente eléctrica intercambia calor con el medio exterior. Recíprocamente, un material sometido a un gradiente de temperatura y recorrido por un flujo de calor genera una corriente eléctrica. La diferencia fundamental entre los efectos Seebeck y Peltier considerados por separado y el efecto Thomson es la existencia de este último en un único material, sin necesidad de que exista una unión entre materiales distintos.

Tipos:

• Reversibles: Efecto Peltier, Efecto Thompson.

• Irreversibles: Efecto Joule.

Efecto Peltier

(Jean C. A. Peltier 1834).

Consiste en el calentamiento o enfriamiento de la unión de dos metales distintos al pasar una corriente por ellos. Al invertir el sentido de la corriente se invierte también el sentido del flujo de calor.

Efecto Thompson

(William Thompson 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 y cambia de signo con ella.

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. 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.

Termopares

Son dispositivos formados por la unión de dos metales distintos que produce un voltaje, (efecto Seebeck), que es función de la diferencia de temperatura entre uno de los extremos denominado "punto caliente" o unión caliente o de medida y el otro denominado "punto frío" o unión fría o de referencia.

Los termopares son ampliamente usados como sensores de temperatura. Son económicos, intercambiables, tienen conectores estándar y son capaces de medir un amplio rango de temperaturas. Su principal limitación es la exactitud ya que los errores del sistema inferiores a un grado Celsius son difíciles de obtener.

El grupo de termopares conectados en serie recibe el nombre de termopila. Tanto los termopares como las termopilas son muy usados en aplicaciones de calefacción a gas.

Tipos de Termopares

Los termopares se pueden fabricar con muchos metales distintos (o aleaciones). Para evitar que se fabriquen termopares con todos los materiales distintos se estandarizaron las uniones y se le coloco el nombre de una letra a cada uno.

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. Posee buena resistencia a la oxidación.

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. Es afectado por la corrosión.

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. Los tipo B presentan el mismo resultado a 0 ºC y 42 ºC debido a su curva de temperatura/voltaje, limitando así su uso a temperaturas por encima de 50 ºC.

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.

Construcción de Termopares.

Un termopar esta constituido por dos metales diferentes, unidos físicamente en sus extremos. En la unión se crea una diferencia de potencial que depende de la temperatura (efecto termoeléctrico), que comparada con la que se genera en otra unión similar sometida a condiciones térmicas de referencia, da una medida de la temperatura existente en la primera unión.


Desde el punto de vista constructivo, la unión puede hacerse por contacto (arrollamiento), o soldadura. Para conseguir la inmunidad requerida frente al medio en función de los materiales y del ambiente de trabajo, el termopar puede aparecer al aire o incluido dentro de una vaina protectora (lo que resulta determinante en la velocidad de respuesta). En este último caso, la unión puede conectarse a la vaina (puesta a tierra) o quedar eléctricamente aislada.Los requerimientos más importantes que deben cumplir los materiales de termocuplas son:

• Ser mecánicamente robustos y resistentes químicamente.

• Deben producir una salida eléctrica mensurable y estable.

• Deben tener la precisión requerida.

• Deben responder con la velocidad necesaria

• Debe considerarse la transferencia de calor al medio y viceversa para no afectar la lectura.

• Deben, en algunos casos, estar aislados eléctricamente de masa

• Deben ser económicos .

Normas de Aplicación Practica por los Termopares

Ley de circuitos homogéneos

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

Ley de los metales intermedios

La suma algebraica de las fuerzas termoelectromotrices en un circuito compuesto por un número cualquiera de metales distintos es cero si todo el circuito se encuentra a temperatura uniforme.

Ley de las temperaturas sucesivas o intermedias.

Dos metales homogéneos diferentes producen una tensión V12, cuando sus uniones están a T1 y T2, y,

Hay una tensión V23 cuando están a temperaturas T2 y T3,

Entonces, la tensión que aparecerá cuando las uniones se encuentren a T1 y T3 será la suma de las caídas de tensión V12 + V23 e igual a V13.

Efecto de la Temperatura Ambiente en la Unión de Referencia de los Termopares

En la configuración de un termopar la extremidad en la cual se hace la unión de los termoelementos se denomina junta de medición, mientras que la otra se denomina junta de referencia. Si la temperatura de la junta de referencia se fija en 0ºC, entonces el valor de la F.E.M. dependerá solamente de la temperatura de la junta de medición, pero ya que no siempre se podra mantener esta junta de referencia a 0ºC para todo sistema de medicion con termopares, esta se mantiene a tempartura ambiente, entonces la salida dependera tanto de la temperatura que se desea medir mas la temperatura de la union de referencia, usando metodos que pemitan discernir la diferencia creada por este efecto, que se considera error de medicion, porque no constituye parte de lo que se desea medir.

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, tal como se indica en la figura (a). Esta solución, aunque de gran exactitud, es poco práctica. Además se debe usar mucho hilo de uno de los dos metales, y esto es caro. La solución de la figura (b) permite emplear un hilo de conexión más económico, pero sigue precisando el mantenimiento de una temperatura de referencia constante.

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. En la figura se muestra un ejemplo de compensación de la unión fría basado en la dependencia de la tensión directa en un diodo (VD) con la temperatura.

El circuito de compensación se diseña estableciendo la condición de que la corriente por el diodo sea de 1mA y que dV1/dT sea igual al coeficiente de Seebeck en el margen de temperatura ambiente.

El potenciómetro (PAJ) se incluye para ajustar el cero. Se toman como datos la tensión umbral del diodo y su derivada con la temperatura.

VD(25ºC)=0.6V y dVD/dT=-2 mV/ºC

Tabla Estandar de Termopares

En esta tabla estandar de termopares se visualiza el voltaje que produce un tipo de termopar a una temperatura dada. Generalmente, las tablas que se encuentran son las termopares J K con una resolución de un grado centigrado. Estos valores son obtenidos de forma experimental, y se utiliza para conocer la temperatura a partir del voltaje del termopar. La utilización de tablas viene principalmente debido a que es un proceso que no depende de una formula, o por lo menos no de una fácilmente utilizable. Para obtener la temperatura con mayor exactitud se pueden interpolar los datos cercanos al valor buscado, y por medio de aproximaciones de orden 1 se obtienene valores muy cercanos al real. A continuación se presenta un pequeño fragmento (de 0 a 100 grados centigrados) de un termopar de tipo J.

Sensores Piezoeléctricos

En el efecto Piezo-Eléctrico la energía pasa de eléctrica a mecánica. Fue descubierto en el siglo XIX (circa 1880), por los hermanos Curie. Su principio está basado en la fuerza o presión aplicada a una sustancia compuesta por cristales polarizados (piezo significa presión en griego). Al ejercer presión sobre el cristal, éste se desforma produciendo una descarga eléctrica. Esto significa que en los micrófonos piezo-eléctricos, la presión acústica se transforma en voltaje.

El efecto Piezo-Eléctrico es conmutativo y también funciona en forma opuesta contraria a su dirección original. Esto quiere decir que al aplicar una descarga eléctrica a un cristal polarizado, el cristal se desforma produciendo un movimiento que genera presión acústica.

Las limitaciones para este tipo de sensores son:

•La resistencia eléctrica que presentan los materiales piezoeléctricos aunque es muy grande no es infinita. De modo que al aplicar un esfuerzo constante se genera inicialmente una carga que inevitablemente es drenada al cabo de un tiempo. Por lo tanto, no tienen respuesta en continua.

•Estos sensores presentan un pico en la respuesta para la frecuencia de resonancia. Por tanto, es preciso trabajar siempre a frecuencias muy inferiores a la de resonancia mecánica.

•La sensibilidad presenta derivas con la temperatura. Además, por encima de la temperatura de Curie (específica para cada material) desaparece el efecto piezoeléctrico.

•La impedancia de salida de estos sensores es muy alta, por lo que para medir la tensión de salida es preciso utilizar amplificadores con una impedancia de entrada enorme. Son los denominados amplificadores electrométricos o de carga.

Algunas de las ventajas de los sensores piezoeléctricos son:

•Alta sensibilidad, obtenida muchas veces a bajo coste.

•Alta rigidez mecánica; las deformaciones experimentadas son inferiores a 1μm. Esta alta impedancia mecánica es conveniente para la medida de variables esfuerzo (fuerza, presión)

•Pequeño tamaño y posibilidad de obtener dispositivos con sensibilidad unidireccional.

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.

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.

Una de las aplicaciones que se le dan a estos sensores es para verificar o detectar movimiento de objetos que interrumpen el haz de luz entre el emisor y el receptor, bien sea para contar revoluciones por segundo, o el tiempo de interrupcion.