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Universidad Nacional Experimental Politécnica
"Antonio José de Sucre"
Vicerrectorado Puerto Ordaz
Departamento de Ingeniería Electrónica
Cátedra: Mediciones Industriales.
Tema V.




Sensores Generadores.





Profesor: Franyelit Suárez.
Alumno: C. Lograzzo.

1. - Definición de Sensores Generadores.

Se consideran Sensores Generadores a aquellos sensores que generan una señal eléctrica a partir de la magnitud que midan, sin necesidad de una alimentación eléctrica.

Brindan una alternativa para medir muchas de las magnitudes ordinarias, sobre todo: temperatura, fuerza, presión y magnitudes afines. Pero, además, dado que se basan en efecto reversible, están relacionados con diversos tipos de accionadores o aplicaciones inversas en general.

2. - ¿Qué es 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 B.

3. - ¿Qué es 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.

4. - ¿Qué es 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.

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 Thompson (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 Thompson es la existencia de este último en un único material, sin necesidad de que exista una unión entre materiales distintos.

Hay 2 Tipos: a) Reversibles: Efecto Peltier.
Efecto Thompson.

b) Irreversibles: Efecto Joule.

5. - Defina con texto y con gráficos el Efecto Peltier.

El efecto Peltier hace referencia a una fuerza electromotriz FEM debida a la diferencia entre los dos metales, es decir, que de acuerdo a una temperatura determinada se genera una diferencia de potencial (FEM) característica.

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.

Este es un esquema de un refrigerador termoeléctrico. Éste dispositivo hace uso del efecto Peltier para mantener refrigerado algún sistema.

6. - Defina con texto y con gráficos el Efecto Thompson.

El efecto Thompson se asocia con otra FEM generada por un gradiente a través del mismo metal. Aún cuando las FEMs generadas son muy bajas es posible medirlas, tras la amplificación de las mismas.

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.

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, quedando para la unión:

7. - Defina con texto y con gráficos el Efecto Seebeck.

Históricamente fue primero Thomas J. Seebeck quien descubrió, en 1822, que en un circuito de dos materiales distintos homogéneos, A y 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.

Existe una infinidad de tipos de termocuplas, en la tabla siguiente aparecen algunas de las más comunes, pero casi el 90% de las termocuplas utilizadas son del tipo J ó del tipo K.

Las termocuplas tipo J, se usan principalmente en la industria del plástico, goma (extrusión e inyección) y fundición de metales a bajas temperaturas (Zamac, Aluminio).

La termocupla K, se usa típicamente en fundición y hornos a temperaturas menores de 1300 °C, por ejemplo fundición de cobre y hornos de tratamientos térmicos.

Las termocuplas R, S, B se usan casi exclusivamente en la industria siderúrgica (fundición de acero).

Finalmente las tipo T, eran usadas hace algún tiempo en la industria de alimentos, pero han sido desplazadas en esta aplicación por los Pt100, que es un sensor de temperatura que basa su funcionamiento en la variación de resistencia a cambios de temperatura del medio.

Algunos tipos de Termocuplas:

9. - Construcción de Termopares.

Los termopares o termocuplas, consisten en la unión de dos materiales (metales comúnmente) unidos en un extremo y producen un pequeño y único voltaje según la temperatura. El fenómeno es debido a dos efectos: Peltier y Thomson.

Un termopar es un dispositivo formado por la unión de dos metales distintos que produce un voltaje (efecto Seebeck), que es en 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.

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.

Termopilas: consisten 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 y
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 medición de temperatura de metal líquido.

10. - Normas de Aplicación Practica por los Termopares.

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

10.1. - Ley de los Circuitos Homogéneos.

Establece que en un circuito compuesto por un solo metal homogéneo no se puede mantener una corriente eléctrica solo por la aplicación de calor.

Las temperaturas T3 y T 4 no cambian la energía termoelectromotriz (FEM debida a T1 y T2 en particular, si T1 es igual a T2 y se calientan A ó B no fluye corriente alguna. En otras palabras, las temperaturas intermedias a las que puede estar sometido cada conductor no altera la FEM. 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 FEM significativos.

10.2 - Ley de los Metales Intermedios.

Establece que la FEM neta en un circuito que interconecta materiales diferentes es cero dado que se mantienen a la misma Temperatura.

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 estas leyes, sugiere 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 primera FEM detectada con un par determinado. Basta con conocer su comportamiento con un tercero. Se ha convenido en tomar el Platino como referencia.

10.3 - Ley de las temperaturas sucesivas o intermedias.

Se tiene una termocupla que tiene dos extremos a temperaturas diferentes. Supóngase T1 y T2. Con este arreglo se mide la FEM E1. Manteniendo T2 constante y cambiando el otro lado de la termocupla por una temperatura T3 se mide una nueva FEM E2. Si se quiere una FEM entre T1 y T3 entonces esa E = E1 + E2. Este tipo de arreglo con T2 como una referencia es muy útil para determinar curvas de calibración.

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. Por lo tanto, es inevitable, 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 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 fácil de montar, pero es de difícil mantenimiento y alto coste. 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 siguientes figuras 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 éstas 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 ser estable, y puede ser la de una pila de mercurio.

13. - Explicación de la Tabla Estandar de Termopares.

La dependencia entre el voltaje entregado por la termocupla y la temperatura no es lineal, es decir, no es una recta, es deber del instrumento electrónico destinado a mostrar la lectura, efectuar la linealización, es decir tomar el voltaje y conociendo el tipo de termocupla, ver en tablas internas a que temperatura corresponde este voltaje.

14. - Sensores Piezoeléctricos.

Son sensores que generan una corriente eléctrica tras la aplicación de una fuerza o presión.

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 se basa 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 deforma 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 actúa en forma opuesta, contraria a su dirección original. Es decir, que al aplicar una descarga eléctrica a un cristal polarizado, el cristal se deforma produciendo un movimiento que genera presión acústica.

La estructura de un cristal polarizado puede apreciarse en la siguiente figura:

Estructura Interna de un cristal.

El efecto piezoeléctrico, descubierto a finales del siglo XIX por Pierre y Jacques Curie, hace referencia a algunos materiales que son capaces de generar un potencial eléctrico en respuesta a una deformación mecánica. Dicho potencial se genera a lo largo de ciertos ejes cristalográficos como respuesta a la deformación mecánica. El material sufre un reordenamiento de las cargas internas, tanto positivas como negativas, y por ende producen un potencial eléctrico. Para medir el potencial eléctrico generado se usan dos electrodos, su magnitud es proporcional a la deformación y depende en gran medida de la dirección en que se aplique la deformación.

El efecto piezoeléctrico es reversible, es decir que la aplicación de un potencial eléctrico a un cristal piezoeléctrico produce deformación. Ambas propiedades se han empleado considerablemente en la industria y en el diseño de bioinstrumentos.

Los piezoeléctricos son dispositivos de alta impedancia, por esto solo pueden suministrar corrientes muy pequeñas. Si la temperatura es elevada lo suficiente, punto Curie, estos materiales pueden perder sus propiedades. Es de hacer notar que una limitación de los piezoeléctricos es que no tienen buena respuesta a la aplicación de una fuerza constante, pero su respuesta es adecuada para la medición de fuerzas mecánicas cambiantes. Su respuesta en frecuencia va desde unos pocos Hertz hasta el nivel de Mega Hertz.

15. - Sensores Piroeléctricos.

Un Pirómetro, se conoce también con el nombre de pirómetro óptico, es un dispositivo capaz de medir la temperatura de una sustancia sin necesidad de estar en contacto con ella. El término se suele aplicar a aquellos instrumentos capaces de medir temperaturas superiores a los 600 grados centígrados. El rango de temperatura de un pirómetro se encuentra entre -50 grados centígrados hasta +4000 grados centígrados. Por lo general es usado en la medida de la temperatura de metales incandescentes en molinos de acero o fundiciones.

Cualquier objeto con una temperatura superior a los 0 grados kelvin emite radiación térmica. Esta radiación será captada y evaluada por el pirómetro. Cuando el objeto de medida tiene una temperatura inferior al pirómetro, es negativo el flujo de radiación. De todas formas se puede medir la temperatura.

Uno de los pirómetros más comunes es el pirómetro de absorción-emisión, que se utiliza para determinar la temperatura de gases a partir de la medición de la radiación emitida por una fuente de referencia calibrada, antes y después de que esta radiación haya pasado a través del gas y haya sido parcialmente absorbida por éste. Ambas medidas se hacen en el mismo intervalo de las longitudes de onda.

Para medir la temperatura de un metal incandescente, se observa éste a través del pirómetro, y se gira un anillo para ajustar la temperatura de un filamento incandescente proyectado en el campo de visión. Cuando el color del filamento es idéntico al del metal, se puede leer la temperatura en una escala según el ajuste del color del filamento.

Un Pirómetro:

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.

En la actualidad, la mayoría de los sensores fotoeléctricos utilizan LEDs como fuentes de luz. Un LED es un semiconductor, eléctricamente similar a un diodo, pero con la característica de que emite luz cuando una corriente circula por él en forma directa.

Los LEDs pueden ser construidos para que emitan en verde, azul, amarillo, rojo, infrarrojo, etc. Los colores más comúnmente usados en aplicaciones de sensado son rojo e infrarrojo, pero en aplicaciones donde se necesite detectar contraste, la elección del color de emisión es fundamental, siendo el color más utilizado el verde. Los fototransistores son los componentes más ampliamente usados como receptores de luz, debido a que ofrecen la mejor relación entre la sensibilidad a la luz y la velocidad de respuesta, comparado con los componentes fotorresistivos, además responden bien ante luz visible e infrarroja. Las fotocélulas son usadas cuando no es necesaria una gran sensibilidad, y se utiliza una fuente de luz visible. Por otra parte los fotodiodos son usados cuando se requiere una extrema velocidad de respuesta.