Se consideran sensores Generadores aquellos que generan una señal eléctrica a partir de la magnitud que miden, sin necesidad de una alimentación eléctrica. Esto es una alternativa para medir muchas de las magnitudes ordinarias como por ejemplo: temperatura, fuerza, presión, y otras magnitudes afines. En algunos casos: Transductor de Efecto Reversible
En esta parte se toma en cuenta las fuentes de Interferencia cuyos efectos pueden producirse inadvertidamente en los circuitos. Ejemplos:
• Ruidos (Mecánicos, Magnéticos, Eléctricos, Térmicos, Electrónicos).
• Fuerzas Electromotrices.
• Vibraciones.
• Presencia de Dieléctricos o Potenciales galvánicos.
Procesos Reversibles e Irreversibles
Los procesos se pueden clasificar en reversibles e irreversibles. El concepto de proceso reversible nos permite reconocer, evaluar y reducir las irreversibilidades en procesos reales en la ingeniería.
Consideremos un sistema aislado. La Segunda Ley nos dice que cualquier proceso que redujera la entropía del sistema aislado es imposible. Supongamos que un proceso ocurre dentro del sistema aislado y que llamaremos en dirección hacia adelante. Si el cambio en el estado del sistema es tal que la entropía aumenta para el proceso que llamamos hacia adelante, entonces para el proceso hacia atrás (es decir, para el cambio en reversa hacia el estado inicial) la entropía disminuiría. Este proceso en reversa es imposible para el sistema aislado, y por lo tanto decimos que el proceso hacia adelante es irreversible.
Si ocurre un proceso, sin embargo, en el cual la entropía no cambia (proceso isentrópico) por el proceso hacia adelante, entonces también el proceso hacia atrás permanece sin cambios. Tal proceso puede ir en cualquier dirección sin violar La Segunda Ley. Los procesos de este tipo se llaman reversibles. La idea fundamental de un proceso reversible es que no produce entropía.
La entropía se produce en procesos irreversibles. Todos los procesos verdaderos (con la posible excepción de flujo de corriente en superconductores) presentan cierta medida irreversible, aunque muchos procesos se pueden analizar adecuadamente si se asume que son reversibles. Algunos procesos que son claramente irreversibles son: la mezcla de dos gases, la combustión espontánea, la fricción, y de la transferencia de la energía como calor de un cuerpo con mayor temperatura hacia un cuerpo con menor temperatura.
El reconocimiento de las irreversibilidades en un proceso verdadero es especialmente importante en la ingeniería. La irreversibilidad, o alejarse de la condición ideal de la reversibilidad, refleja un aumento en la cantidad de energía no organizada a expensas de energía mejor organizada. La energía organizada (tal como el de un peso levantado) se pone fácilmente en uso práctico; la energía desorganizada (tal como los movimientos al azar de las moléculas en un gas) requiere ``forzar o restringir'' antes de que pueda ser utilizada con eficacia. El ingeniero se esfuerza constantemente en reducir la irreversibilidades de los sistemas para obtener un funcionamiento mejor de estos.
Los sensores termoeléctricos se basan en dos efectos que, a diferencia del efecto Joule, son reversibles. Se trata del efecto Peltier y del efecto Thomson. La acción conjunta de estos dos efectos da lugar al efecto Seebeck, en el que se basan los termopares.
Efecto Seebeck
Históricamente fue primero Thomas J. Seebeck quien descubrió, en 1822, que en un circuito formado por dos metales homogéneos, A y B, con dos uniones a diferente temperatura, aparece una corriente eléctrica. Es decir, hay una conversión de energía térmica a energía eléctrica. Si se abre el circuito, aparece una fuerza (termo)electromotriz (f.t.e.m.) cuya magnitud depende de la naturaleza de los metales y de la diferencia de temperatura entre las dos uniones.
Mientras que la corriente depende de la resistencia de los conductores, la f.t.e.m. no depende ni de la resistividad, ni de la sección, ni de la distribución de temperaturas en los conductores. Depende sólo de la diferencia de temperatura entre las uniones y de la naturaleza de los conductores.
Efecto Peltier
Descubierto por Jean C.A. Peltier en 1834, consiste en el calentamiento o enfriamiento de la unión entre dos metales al pasar una corriente por ella. Al invertir el sentido de la corriente se invierte también el sentido del flujo de calor, si antes se calentaba ahora se enfría y viceversa.
Se trata de un efecto reversible e independiente de la forma y dimensiones del contacto y de los conductores. Depende sólo de su composición y de la temperatura de la unión.
La dependencia entre la potencia calorífica transformada (Qp) y la corriente es lineal y viene descrita por el coeficiente de Peltier (πAB), que por tener dimensiones de tensión se llama a veces tensión Peltier. Se define πAB como la potencia calorífica generada en la unión entre A y B por unidad de corriente que circula de B a A.
Para una unión a temperatura absoluta T, se demuestra que:
El efecto Peltier es también independiente del origen de la corriente, que puede ser incluso de origen termoeléctrico, como en la página anterior. En este caso cada unión alcanza una temperatura distinta a la de su ambiente y esto puede ser una fuente de error.
Efecto Thomson
Descubierto por William Thomson (Lord Kelvin) en 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. Se absorbe calor cuando la corriente fluye del punto más frío al más caliente y se libera cuando fluye del más caliente al más frío.
La potencia calorífica neta q por unidad de volumen en un conductor de resistividad r, con un gradiente longitudinal de temperatura dT/dx (ºC/m), por el que circula una densidad de corriente i, será:
donde σ es el denominado coeficiente de Thomson.
Termopares
Si la corriente que circula por el circuito del termopar es suficientemente pequeña, para despreciar el efecto Joule, se pueden considerar exclusivamente los efectos termoeléctricos reversibles. En este caso, la energía termoelectromotriz generada debe coincidir con la energía térmica neta transformada por la suma de los efectos Peltier y Thomson.
La expresión del coeficiente de Seebeck permite pensar en la aplicación de los termopares a la medida de temperaturas.
T es la diferencia entre la temperatura de la unión de referencia, normalmente 0ºC, y la temperatura de la unión de medida, es decir, la temperatura que se pretende medir.
Tipos de termopares
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 E (Cromo / Constantán (aleación de Cu-Ni)): No son magnéticos y gracias a su sensibilidad, son ideales para el uso en bajas temperaturas, en el ámbito criogénico. Tienen una sensibilidad de 68 µV/°C.
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.
Estas propiedades se obtienen mediante las aleaciones que muestra siguiente tabla
Según la aplicación se dispone de diferentes tipos de uniones:
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.
En un circuito compuesto por un número cualquiera de metales distintos, si se intercala un conductor y sus dos contactos con el circuito permanecen a la misma temperatura, la tensión añadida al circuito con la incorporación de estos dos contactos es cero.
Esto significa que se puede incorporar al circuito un instrumento de medida sin añadir errores. El instrumento se puede intercalar en un conductor o en una unión. En la figura se describe gráficamente esta ley.
En la tabla siguiente se muestran 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.
Si dos conductores homogéneos distintos producen una f.t.e.m. E1 cuando las uniones están a T1 y T2, y una f.t.e.m. E2 cuando las uniones están a T2 y T3, la f.t.e.m. cuando las uniones estén a T1 y T3 será E1+E2. Esto tiene una consecuencia práctica importante; la unión de referencia no tiene por qué estar a 0ºC, puede usarse otra temperatura de referencia. Incluso no tiene que ser fija siempre que sea conocida.
Aplicando las leyes anteriores se pueden analizar fácilmente circuitos como los de la figura.
En el segundo circuito, la conexión es en paralelo y, si todos los termopares tienen la misma resistencia, se obtiene a la salida una tensión que corresponde a la temperatura media de las uniones de medida.
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.
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.
Los tipos de termopares estándar y sus propiedades pueden ser identificados por los colores del aislante y el encapuchado. La ANSI (American National Standards Institute) ha establecido una serie de especificaciones de tipos de termopares para hacer fácil la identificación y uso de termopares. La tabla listada abajo indica los códigos de colores estándar que usted puede utilizar para identificar el tipo de termopar y la polaridad de la señal para cada tipo de termopar. Si usted encuentra un termopar que no está listado en la tabla, probablemente éste no cumple con el estándar ANSI. Usted debe contactar al proveedor para obtener información más detallada acerca de su operación, escalamiento y conectividad.
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 a un material piezoeléctrico, aparece una deformación. Estos fenómenos fueron descubiertos por Jacques y Pierre Curie en 1880. La piezoelectricidad está relacionada con la estructura cristalina de los materiales.
Las propiedades piezoeléctricas se manifiestan en 20 de las 32 clases cristalográficas, aunque en la práctica se usan sólo unas pocas. Entre los materiales piezoeléctricos naturales, los de uso más frecuente son el cuarzo y la turmalina. En cuanto a las sustancias sintéticas, las que han encontrado más aplicación como materiales piezoeléctricos son las cerámicas.
Aplicaciones
Detección de magnitudes mecánicas:
Limitaciones:
· No poseen respuesta en c.c.
· Deben trabajar por debajo de la frecuencia de resonancia del material.
· Los coeficientes piezoeléctricos son sensibles a la temperatura.(Cuarzo hasta 260ºC y la turmalita 700ºC).
· La impedancia de salida de los materiales piezoeléctricos es muy baja
· Algunos materiales piezeléctricos son delicuescentes.
Ventajas
· Alta sensibilidad y bajo coste.
· Alta rigidez mecánica (deformaciones experimentadas < 1microm), apta para medir variables esfuerzo (fuerza presión).
· La figura 6.18 muestra algunos montajes de aplicación del efecto piezoeléctrico a baja frecuencia.
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.
Estos efectos han sido conocidos por el hombre desde hace muchos años, recibió este nombre de D. Brewster en 1824. Pero la investigacion de la pyroelectricidad en polímeros es relativamente nueva pues data de mediados del siglo XX, sin embargo los resultados iniciales fueron pobres y no atractivos a nivel comercial. Grandes adelantos ocurrieron en 1971, con el descubrimiento de los efectos piroeléctricos en el fluoruro de polivinilideno PVDF por J.B. Bergman, J.H. y solamente después de que el Dr. H. Kawai descubrió la piezoelectricidad en el mismo material.
El sensor piroeléctrico se hace de un material cristalino que genere una carga eléctrica superficial cuando está expuesto al calor en la forma de radiación infrarroja. Cuando la cantidad de radiación que recibe cambia, la cantidad de la carga también y se puede medir con un FET.
Los sensores piroeléctricos se rigen de la siguiente fórmula:
Donde:
Rv: Es la sensibilidad a la tensión o responsividad en tensión
α: Fracción incidente que se transforma en calor
P: Coeficiente piroeléctrico del material
τ: Constante de tiempo térmica
CE: Calor específico volumétrico
ε: Constante dieléctrica
ω: Frecuencia angular de la pulsación radiante.
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. Las aplicaciones más comunes de estos sensores son:
· 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
· 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)
Los materiales más comunes son el sulfato de triglicina TGS, el tantalato de lítio TaO3Li, el niobato de estroncio, el bario (SBN) y el polivinilideno (PVF2). Nuevamente el márgen de temperatura debe mantenerse por debajo de la temperatura de Curie del material, por lo que queda limitado a un máximo de 50°C.
Sensores Fotovoltaicos
Cuando el efecto fotoeléctrico se produce en la barrera de potencial de una unión PN se denomina efecto fotovoltaico.
Si la unión PN, en circuito abierto, se somete a una radiación cuya energía supere la anchura de la banda prohibida, aparecen pares electrón-hueco adicionales que se desplazan bajo la acción del campo eléctrico en la zona de la unión. La llegada de electrones a la zona N y de huecos a la zona P, produce una reducción del potencial de contacto de valor VP, que se puede medir mediante conexiones externas a una resistencia de carga. Esta tensión aumenta al aumentar la intensidad de la radiación incidente hasta llegar a la saturación. Si se cortocircuitan los contactos la corriente es proporcional a la intensidad luminosa recibida en un amplio margen.
Un fotodiodo, bajo radiación, genera una corriente en el sentido cátodo-ánodo y una tensión ánodo-cátodo positiva, es decir, se comporta como una fuente de tensión dependiente de la iluminación recibida.
La gama de longitudes de onda a la que es sensible el sensor depende del material semiconductor utilizado. Los sensores fotovoltaicos se emplean tanto en aplicaciones donde se mide la luz como en aplicaciones donde la luz se emplea como medio para detectar otra magnitud. Se comercializan modelos constituidos por un par emisordetector adaptados, e incluso conectados a un relé para control.
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