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.

EFECTOS REVERSIBLE E IRRREVERSIBLE

EFECTO REVERSIBLE
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.

EFECTO IRREVERSIBLEEs aquél que supone la imposibilidad, o la dificultad extrema, de retornar a la situación anterior a la acción que lo produce.

EFECTO TERMOELECTRICO

La interacción entre un fenómeno eléctrico y térmico se conoce desde el siglo XIX, cuando Joule observó que la materia ofrece cierta resistencia al movimiento de los electrones, los cuales ceden energía cinética al entorno en los sucesivos choques. Esta energía proporcionada por los electrones se disipa en forma de calor. Sin embargo, no es éste el único fenómeno de interacción termoeléctrica. Otros efectos son los denominados Seebeck, Peltier y Thompson.
Tipos de efecto termoeléctrico:
a) Reversibles: Efecto Peltier.
Efecto Thompson.

b) Irreversibles: Efecto Joule.
Históricamente, fue Thomas J. Seebeck quien descubrió en 1822 que en un circuito de dos metales distintos A y B con dos uniones a diferentes temperaturas, aparece una corriente eléctrica.

Es decir hay una conversión de Energía Térmica a Energía Eléctrica o bien, si se abre el circuito, una fuerza (termo - electromotriz) que depende de los metales y de la diferencia de temperaturas entre las uniones. Al conjunto de estos dos metales distintos con una unión firme en un punto o una zona se le denomina Termopar.
La relación entre la fuerza termoelectromotriz (f.t.e.m.) denominada también EAB y la diferencia de temperatura entre las uniones (T), define el coeficiente de Seebeck (SAB).

donde SA y SB son la denominada Potencia Termoeléctrica absoluta de A y B.
En general SAB no es una constante. Esta depende de la temperatura T y suele crecer al crecer T.
Es importante anotar que mientras la corriente que circula por el circuito depende de la resistencia de los conductores, en cambio la ftem no depende de la resistividad, ni de la sección, ni distribución o gradiente de temperatura. Depende solo de la diferencia de temperaturas entre las uniones y de la naturaleza de los metales. Esta fuerza electromotriz se debe a los efectos Peltier y Thompson.

EFECTO PELTIER

Consiste en el calentamiento o enfriamiento de una unión entre dos metales distintos al pasar corriente por ella. Al invertir el sentido de la corriente se invierte también el sentido del flujo de calor. Es decir si antes una unión se calentaba (cedía calor), al cambiar el sentido de la corriente se enfría (absorbe calor), es decir, si primero se enfriaba ahora se calienta o viceversa.

Este efecto es reversible e independiente del contacto, es decir, de la forma y dimensiones de los conductores. Depende solo de su composición y de la temperatura de la unión.
La dependencia es lineal y viene descrita por el coeficiente de Peltier pAB que se define como el calor generado en la unión entre A y B por unidad de corriente que circula de B a A para una unión a temperatura T, y esta definido por:

El hecho de que el calor intercambiado por unidad de superficie de la unión sea proporcional a la corriente y no a su cuadrado, marca la diferencia respecto al efecto Joule. En este el calentamiento depende del cuadrado de la corriente y no cambia al hacerlo su dirección.
El efecto Peltier, es también independiente del origen de la corriente, que puede ser, incluso de origen termoeléctrico. En este caso las uniones alcanzan una temperatura distinta a la del ambiente y ello puede ser una fuente de errores.

EFECTO THOMPSON

El efecto Thompson consiste en la absorción o liberación de calor por parte de un conductor eléctrico homogéneo, con una distribución de temperaturas no homogénea, por el que circula una corriente [Biel J. G., 1997].El flujo neto de potencia calorífica por unidad de volumen, en un conductor de resistividad r, con un gradiente longitudinal de temperatura, por el que circula una densidad de corriente J será:
donde s es el coeficiente Thompson. El primer término corresponde al efecto Joule, irreversible, mientras que el segundo expresa el efecto Thompson, reversible.Desarrollando esta expresión para obtener la relación entre el coeficiente Thompson y Seebeck y teniendo en cuenta las ecuaciones que rigen los efectos Peltier y Seebeck, se llega a

Quedando para la unión:

EFECTO SEEBECK

Thomas J. Seebeck descubrió que en un circuito formado por dos metales distintos homogéneos, A y B, con dos uniones a diferente temperatura, T y T+∆T, aparece una corriente eléctrica J, o bien, si se abre el circuito una fuerza termoelectromotriz (f.t.e.m.) EAB que depende de los metales utilizados en la unión y de la diferencia de temperatura entre las dos uniones. Ver Figura

La relación entre la f.t.e.m., EAB, y la diferencia de temperaturas entre las uniones, T, define el coeficiente Seebeck, ∆AB [Rowe, D. M. 1995]:

αA(T) y αB(T) son respectivamente las potencias termoeléctricas absolutas de A y B y son características de cada metal. En general, αAB no es constante, sino que depende de la temperatura T.

TIPOS DE TERMOPARES

En las uniones de termopar interesa tener:
· Resistividad elevada sin requerir mucha masa
· Coeficiente de temperatura débil en la resistividad;
· Resistencia a la oxidación a temperaturas altas.
· Linealidad lo mayor posible.

Para lograr estas propiedades se emplean aleaciones especiales:
· Níquel (90)/Cromo(IO) -Cromel
· Cobre(57)1Niquel(43);
· Níquel(94 )1 Aluminio(2 )-Manganeso(3 )-Silicio( I) -Alumel

La protección frente al ambiente se logra mediante un encapsulado denominado Vaina que normalmente es acero inoxidable. La velocidad de respuesta y la robustez de la sonda vendrán afectadas por el espesor del encapsulado. En el cuadro siguiente se presentan las características de algunos de los termopares mas comunes y su designación de acuerdo con las normas ANSI.

CONSTRUCCION DE TERMOPARES

Termopilas.
Consiste 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. fem=n.Sab(ThTref)

Termopar diferencial
fem=Sa.(ThTref)+Sb.(ThTh’)+Sa.(Th’Tref)=Sab.(ThTh’)

Termopar intrínseco
El material cuya temperatura se desea medir forma parte del circuito termoeléctrico. Su respuesta es muy rápida. Se utilizan en la mediciónde temperatura de metal líquido.

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 HOMOGENEOS

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 las temperaturas T3 y T 4 no cambian la energía termoelectromotriz (ftem) debida a T1 y T2 en particular, si T1 es igual a T2 y se calientan A ó B no fluye corriente alguna. Es decir en otras palabras las temperaturas intermedias a las que puede estar sometido cada conductor no altera la ftem. Tampoco ocurre esto debido a una determinada diferencia de temperaturas entre las uniones 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. Para esto se emplean los denominados cables de compensación, los cuales son de metales que, siendo más económicos que los de termopares utilizados frecuentemente en la industria no presentan ftem. Significativas.

LEY DE LOS METALES INTERMEDIOS

La suma algebraica de las ftem. en un circuito compuesto de un numero cualesquiera 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 en una unión. Un colorario de esta leyes que si se conoce la relación térmica de dos metales distintos con un tercero. Se puede encontrar la relación entre los dos primeros. Por lo tanto no hace falta calibrar todos los posibles pares de metales para conocer la temperatura correspondiente a la ftem. detectada con un par determinado. Basta con conocer su comportamiento con un tercero. Se ha convenido en tomar el Platino como referencia.

LEY DE LAS TEMPERATURAS SUCESIVAS O INTERMEDIAS

Si dos metales homogéneos producen un ftem. E1 cuando las uniones están a T1 y T2 y una ftem. E2, cuando las uniones están a T2 y T3, la ftem. cuando las uniones estén a T1 y T3 será (E1 + E2).
Esto significa, por ejemplo, que la unión de referencia no tiene porque estar a ooc si no que puede usarse otra temperatura de referencia.

Aplicando las leyes anteriores se pueden analizar fácilmente circuitos como los que se presentan a continuación:

En el caso (a) se trata de la conexión serie de varios termopares, constituyendo lo que se denomina una termopila. Es fácil comprobar que aumenta la sensibilidad respecto al caso de un soto termopar. En el caso (b) la conexión es en paralelo, y se detecta la temperatura media si todos los termopares son lineales en el margen de medida y tiene la misma resistencia.

EFECTO DE LA TEMPERATURA AMBIENTE EN LA UNION 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.

COMPENSACION DE LA UNION DE REFERENCIA EN CIRCUITOS DE TERMOPARES.

Para aplicar el efecto Seebeck a la medida de temperatura es necesario mantener 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 siguiente:

Es una solución de gran exactitud y facilidad de montaje pero es de difícil mantenimiento. y coste alto. Se puede mantener también la unión de referencia a una temperatura constante a base de emplear un elemento de refrigeración basado en el efecto Peltier inverso o un horno termostatado, pero en cualquier caso debe usarse mucho hilo de uno de los dos metales del termopar y esto encarece la solución.
La solución indicada en las figura siguiente permite emplear un hilo de conexión más 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.
La Compensación electrónica consiste en dejar que la unión de referencia sufra las variaciones de la temperatura ambiente, pero estas se detectan con otro transductor de temperatura. Dispuesto en la vecindad de la unión de' referencia, y se resta una tensión igual a la generada en la unión fría. La tensión de alimentación del puente debe de ser estable, y puede ser la de una pila de mercurio.

EXPLICACION DE LA TABLA ESTANDAR DE LOS TERMOPARES

Un termopar es un dispositivo formado por la unión de dos metales distintos que produce un voltaje (efecto seedbeck), que es función de la diferencia de la 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.
En instrumentación industrial, 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 centígrado son difíciles de obtener.
Según la tabla estándar podemos notar que a medida que disminuye la temperatura, disminuyen los niveles de voltaje entregados, y a medida que aumentan los niveles 1,2,3...6 disminuyen los valores en 50mV por cada nivel.

TIPOS DE SENSORES

SENSORES PIEZOELECTRICOS
La piezoelectricidad (del griego ppecho, "estrujar o apretar") es un fenómeno presentado por determinados cristales que al ser sometidos a tensiones mecánicas adquieren una polarización eléctrica en su masa, apareciendo una diferencia de potencial y cargas eléctricas en su superficie. Este fenómeno también se presenta a la inversa, esto es, se deforman bajo la acción de fuerzas internas al ser sometidos a un campo eléctrico. El efecto piezoeléctrico es normalmente reversible: al dejar de someter los cristales a un voltaje exterior o campo eléctrico, recuperan su forma.
Los materiales piezoeléctricos son cristales naturales o sintéticos que no poseen centro de simetría. El efecto de una compresión o de un cizallamiento consiste en disociar los centros de gravedad de las cargas positivas y de las cargas negativas. Aparecen de este modo dipolos elementales en la masa y, por influencia, cargas de signo opuesto en las superficies enfrentadas.
Pueden distinguirse dos grupos de materiales: los que poseen carácter piezoeléctrico de forma natural (cuarzo, turmalina) y los llamados ferroeléctricos, que presentan propiedades piezoeléctricas tras ser sometidos a una polarización (tantalio de litio, nitrato de litio, bernilita en forma de materiales monocristalinos y cerámicas o polímeros polares bajo forma de microcristales orientados).


SENSORES PIROELECTRICOS
La piroelectricidad es la capacidad de cambiar la polarización de algunos materiales sometidos a cambios de temperatura generando un potencial eléctrico producido por el movimiento de las cargas positivas y negativas a los extremos opuestos de la superficie a través de la migración. Este tipo de fenómenos se observa en materiales dieléctricos que contienen polarizaciones espontáneas producidas por dipolos orientados. La piroelectricidad está estrechamente relacionada con la piezoelectricidad, de tal modo que todos los materiales piroeléctricos son también piezoeléctricos.
El efecto piroeléctrico fue descubierto en minerales como el cuarzo y turmalina y otros cristales iónicos y se desarrolla en las caras opuestas de cristales asimétricos. La dirección de propagación suele ser constante a lo largo de un material piroeléctrico, aunque puede ser modificada por un campo eléctrico cercano.
El material cristalino que constituye un sensor piroeléctrico genera una pequeña carga eléctrica cuando es expuesto al calor en forma de radiación infrarroja. El cristal cambia cuando la cantidad de radiación es notable, la carga también cambia y puede entonces ser medida con un dispositivo FET construido dentro del sensor. Y además son más rápidos que los termopares.
Aplicaciones:
Las aplicaciones más comunes de estos sensores piroeléctricos son:
· Pirómetros (medida de temperatura a distancia en hornos, vidrio o metal fundido)
· Los sensores pasivos de infrarrojos.
· Medida de radiación
· Detección de llamas
· Detección de pérdidas de calor en oficinas, residencias o edificios.
· Medidas de potencia generadas por una fuente de radiación.
· Analizadores de IR,
· Detectores de CO2 y otros gases que absorben radiación,
· Detectores de IR emitidas por el cuerpo humano (para detección de intrusos y de presencia en sistemas de encendido --automático de iluminación o calefacción de viviendas, apertura de puertas.
· Detección de pulsos láser de alta potencia.
· En termómetros de alta resolución (6x10 °C).
· Detector de personas o de movimiento.

SENSORES FOTOELECTRICOS
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.