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.

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 Irreversible

Se basa en la aparicion 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.

Efecto Termoeléctrico

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 (véase Efecto Seebeck).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 (véase Efecto Peltier).El físico inglés William Thomson (Lord Kelvin) 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:a) Reversibles: Efecto Peltier, Efecto Thompson.b) Irreversibles: Efecto Joule.

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.

Efecto Thompson

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.

El flujo neto de potencia calorífica por unidad de volumen, en un conductor de resistividad r, con

Donde s es el coeficiente Thomson. El primer término corresponde al efecto Joule, irreversible, mientras que el segundo expresa el efecto Thomson, reversible.Desarrollando esta expresión para obtener la relación entre el coeficiente Thomson y Seebeck y teniendo en cuenta las ecuaciones que rigen los efectos Peltier y Seebeck, quedando para la

Efecto Seebeck

Es una propiedad termoeléctrica descubierta en 1821 por el físico alemán Thomas Johann Seebech inversa al efecto Peltier. Cabe reseñar que fue el primer efecto termoeléctrico descubierto: el efecto Peltier lo descubriría Jean Periel en 1834, y William Thomson -Lord Kelvin- haría lo propio con el efecto Thonson en 1851. Se conoce como efecto termoeléctrico o efecto Seebeck a la conversión de una diferencia de temperatura en electricidad. Se crea un voltaje en presencia de una diferencia de temperatura entre dos metales o semiconductores diferentes. Una diferencia de temperaturas T1 y T2 en las juntas entre los metales A y B inducen una diferencia de potencial V.

Tipos de Termopares

COBRE – CONSTANTANO (TIPO T)

Están formados por un alambre de cobre como conductor positivo y una aleación de 60% de cobre y 40% de níquel como elemento conductor negativo. Tiene un costo relativamente bajo, se utiliza para medir temperaturas bajo o 0 °C. Y como limite superior se puede considerar los 350º C, ya que el cobre se oxida violentamente a partir de los 400º C.

HIERRO – CONSTANTANO (TIPO J )

En este tipo de junta el hierro es electropositivo y el constantano electronegativo. Mide temperaturas superiores que el anterior ya que el hierro empieza a oxidarse a partir de los 700º C. No se recomienda su uso en atmósfera donde exista oxigeno libre. Tiene un costo muy bajo y esto permite que su utilización sea generalizada.

CHROMEL – ALUMEL (TIPO K)

Una aleación de 90% de níquel y 10% de cromo es el conductor positivo y un conductor compuesto de 94% de níquel, 2% de Aluminio, 3% de manganeso y 1% de Silicio como elemento negativo. Este termopar puede medir temperaturas de hasta 1200º C. Ya que el níquel lo hace resistente a la oxidación. Se los utiliza con mucha frecuencia en los hornos de tratamientos térmicos. Su costo es considerable lo que limita su utilización.

PLATINO RODIO – PLATINO (TIPO R)

Tienen como conductor negativo un alambre de platino y como conductor positivo una aleación de 87% de platino con 13% de sodio. Este tipo de junta desarrollada últimamente con materiales de alta pureza son capaces de medir hasta 1500º C si se utilizan las precauciones debidas.
Son muy resistentes a la oxidación pero no se aconseja su aplicación en atmósferas reductoras por su fácil contaminación con el hidrógeno y nitrógeno que modifican la respuesta del instrumento.

PLATINO RODIO – PLATINO ( TIPO S )

El conductor positivo es una aleación de 90% de platino y 10% de Rodio mientras que conductor negativo es un alambre de platino. Sus características son casi similares al termopar anterior con la diferencia que no puede usarse a temperaturas elevadas porque los metales no son de alta pureza produciendo alteraciones de la lectura a partir de los 1000º C. en adelante.

MOLIBDENO – RENIO

Fue desarrollado recientemente y se utiliza para temperaturas inferiores a los 1650º C. Se recomienda usarlos en atmósferas inertes, reductoras o vacío ya que el oxigeno destruye al termopar.

TUNSTENO – RENIO

Al igual que el anterior fue recientemente creado y no tiene datos normalizados de temperatura y mili voltajes. Puede medir temperaturas de hasta 2000º C, el oxigeno y los cambios bruscos de temperaturas destruyen al termopar. Funcionan perfectamente en atmósferas reductoras e inertes si se los protege con funda cerámicas.

IRIDIO – IRIDIO RODIO

Puede medir como máximo 2.000 °C. Su uso es recomendable en atmósferas oxidantes que contienen oxigeno libre. El Hidrógeno produce alteraciones permanentes en el termopar, reduciendo además su vida útil.

TUNGSTENO – TUNGSTENO RENIO

Tiene igual utilización que el tungsteno – renio con la única diferencia que genera mayor mili voltaje por grado. En la siguiente gráfica se muestra el mili voltaje generado por los termopares a diversas temperaturas de su junta caliente y con su junta fría a una temperatura de referencia de 32º F o 0 °C.

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 los circuitos homogéneos:
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.

- 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

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.

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.

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. En la figura se muestra un esquema simplificado. La temperatura T3 puede variar sin introducir error. Los cables de compensación son específicos para cada termopar. Suelen ser tres o cuatro veces más caros que los cables de cobre.

En la figura se muestra un esquema más real. Las uniones entre el termopar y el cable de compensación y entre el cable de compensación y el sistema de medida, deben hacerse con conectores específicos para el tipo de termopar que se esté utilizando

Expliación tabla estándar 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 400º
CF.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 760º
CF.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 1000º
CF.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 1200º
CF.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 1300º
CF.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 1768º
CF.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 1768º
CF.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 1820º
CF.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
Estos termopares son de tipo estándar y tiene los siguientes código de colores de acuerdo a l tipo descrito en la tabla para su fácil conexión a los instrumentos o dispositivos de medición de temperatura.

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.

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. La estructura de un cristal polarizado puede apreciarse en la figura.

Sensores Piroeléctricos

La piroelectricidad es el cambio en la polarización de un material sometido a cambios de temperatura. Este tipo de fenómenos se observa en materiales dieléctricos que contienen polarizaciones espontáneas producidas por dipolos orientados.

Este tipo de sensores se utilizan para la medida de radiación. Para mejorar la respuesta sensorial (dinámica) se aumenta la masa térmica del sensor con un material absorbente adecuado.
Los sensores piroeléctricos cuentan con una respuesta más rápida que los termopares, empleándose incluso para la detección de pulsos de radiación de picosegundos y con energías desde los nanojulios hasta julios. Suelen ser utilizados como:

- Pirómetros (medida de temperatura a distancia en hornos, vidrio o metal fundido)
- Detección de pérdidas de calor en oficinas, residencias o edificios.
- Medidas de potencia generadas por una fuente de radiación.
- Analizadores de IR.

- Detección de pulsos láser de alta potencia

- En termómetros de alta resolución (6x10 °C).

Sensores Fotoeléctricos

También llamados ópticos, tienen como función principal la detección de todo tipo de objetos independientes de la distancia que se encuentren. Existen cuatro tipos de estos sensores fotoeléctricos:

- SENSORES DE BARRERA:
Cuando existe un emisor y un receptor apuntados uno al otro (este método tienes el mas alto nivel de detección.)

- SENSORES REFLEX:
Cuando la luz es reflejado con un reflector especial, cuya característica es que devuelve la luz en el mismo ángulo que la recibe.

- SENSORES AUTO REFLEX:
Son iguales al anterior, excepto que el emisor tiene un lente que polariza la luz en un sentido.

- SENSORES DE FIBRA OPTICA:
En este tipo el emisor y receptor estad interconstruídos en una caja que puede estar a varios metros del objeto a sensar.

Ejemplos de los distintos tipos de sensores fotoeléctricos