lunes, 28 de julio de 2008
1. Codificadores de posición: incrementales y absolutos.
Los codificadores de posición: Son aquellos que ofrecen directamente una señal digital a partir de una entrada analógica.Sensores autorresonantes, de frecuencia variable o casi digitales:
Son sensores basados en un fenómeno físico resonante, en general todos requieren de frecuencímetros o contadores.
Sirven para realizar mediciones generalmente de posición lineal o angular y pueden ser incrementales o absolutos.
Codificadores incrementales: Son codificadores que deben estar unidos solidariamente al elemento cuya posición desea medirse. Estos elementos poseen regularmente dos zonas, con propiedades únicas que las diferencian, cuya disposición es equidistante y alternativa.
La resolución de un sensor digital esta dado por:
Donde D es el diámetro del disco y X es al ancho de cada sector codificado.La simplicidad y economía de este tipo de sensores contrasta con los inconvenientes que presenta:
* Pérdida de información sobre la posición cuando falla la alimentación del sistema
* Pérdida de información en presencia de interferencias
* Requerimiento de electrónica especial, como contadores bidireccionales, para acondicionarlos a los elementos de análisis.
* No detecta el sentido de avance si no se dispone de elementos adicionales como otra pista codificada, circuitos electrónicos y otra bobina sensora que dé una señal desfasada 90° respecto a la anterior y un detector de fase que dará una indicación del sentido de giro. Para circuitos ópticos y de contacto se añade una línea de sectores codificados que esté ligeramente desfasada con respecto a la primera y un elemento de lectura adicional.
Los codificadores incrementales pueden ser del tipo magnético, eléctrico u óptico y su salida puede ser en forma de tren de pulsos con un ciclo de trabajo del 50%.Los magnéticos pueden ser de bobina e imán, de imán y sensor magnetorresistivo o de núcleo toroidal. Los codificadores eléctricos pueden ser capacitivos o de contacto. Los codificadores ópticos pueden estar basados en sectores opacos y transparentes, en sectores reflectores y no eflectores, o en franjas de interferencia. Éstos últimos normalmente cuentan con un LED infrarrojo y un fotodetector (LDR: célula fotoeléctrica o fototransistor).
Codificador de posición absoluto: Similares a los incrementales pero con marcas en círculos concéntricos, cada uno de menor resolución. Cada círculo posee un sensor y la posición queda codificada como un número formado unos y ceros.
La principal diferencia con los codificadores incrementales es que cuenta con varias pistas con zonas diferenciadas y agrupadas, de tal forma que el sistema de lectura obtiene directamente, en cada posición del elemento móvil, el número codificado que da su posición. Cada pista representa un bit de la salida, siendo la pista más interior la correspondiente al bit de mayor resolución.Los sensores más utilizados en este caso son los ópticos, con zonas opacas y transparentes y en menor medida, los de contacto, con zonas conductoras y aislantes.
Los codificadores absolutos ópticos funcionan con un concepto similar al de los tipos incrementales, sólo que poseen un disco con un dibujo complejo, distribuido en anillos concéntricos que representan los bits de una palabra binaria. Deben tener un detector óptico por cada uno de estos anillos. Por ejemplo un disco con 8 anillos (como el de la figura), tendrá una resolución de 8 bits, o sea que podrá dividir su circunferencia en 256 porciones (más de 1 grado, si hablamos de ángulo). Un disco con más anillos concéntricos ofrecerá más bits de resolución y dará un dato de posición angular más preciso.
1.1. Construcción de codificadores.
En un codificador de posición incremental hay un disco, con poca inercia, que se desplaza solidario a la pieza cuya posición se desea determinar, por ejemplo, el eje de un motor. El disco posee dos tipos de zonas: transparente (agujeros) y opaca, dispuestas de forma alternativa y equidistante, El tipo absoluto produce un código digital único para cada ángulo distinto del eje. Se corta un patrón complejo en una hoja de metal y se pone en un disco aislador, que está fijado al eje. También se coloca una fila de contactos deslizantes a lo largo del radio del disco. Mientras que el disco rota con el eje, algunos de los contactos tocan el metal, mientras que otros caen en los huecos donde se ha cortado el metal. La hoja de metal está conectada con una fuente de corriente eléctrica, y cada contacto está conectado con un sensor eléctrico separado. Se diseña el patrón de metal de tal forma que cada posición posible del eje cree un código binario único en el cual algunos de los contactos esté conectado con la fuente de corriente (es decir encendido) y otros no (apagados). Este código se puede leer por un dispositivo controlador, tal como un microprocesador, para determinar el ángulo del eje.Codificación Binaria: Un ejemplo de un código binario en un codificador extremadamente simplificado con solamente tres contactos, se demuestra abajo:
Generalmente, si hay n contactos, el número de posiciones distintas del eje es 2n. En este ejemplo, n es 3, así que hay 23, es decir, 8 posiciones.En el ejemplo anterior, los contactos producen una cuenta binaria a medida que el disco gira. Sin embargo, esto tiene la desventaja de que si el disco para entre dos sectores adyacentes, o los contactos no se alinean perfectamente, es imposible determinar el ángulo del eje. Para ilustrar este problema, se considera que el ángulo del eje cambia de 179.9º a 180.1º (sector 4 a sector 5). En cierto instante, según la tabla anterior, el patrón del contacto cambiará de "OFF-ON-ON" a "ON-OFF-OFF". Sin embargo, no sucede realmente. En un dispositivo práctico, los contactos nunca se alinean perfectamente, de modo que cada uno cambiará en diverso momento. Si el contacto 1 cambia primero, seguido por el contacto 3 y luego el contacto 2, por ejemplo, la secuencia real de códigos será:OFF-ON-ON (Posición de salida) ON-ON-ON (Primero, se activa el contacto 1) ON-ON-OFF (Después se desactiva el contacto 3) ON-OFF-OFF (Por último, se desactiva el contacto 2) Codificación con código de Gray: Éste es un sistema de código binario en el cual dos códigos adyacentes sólo se diferencian en una posición. Para entrar en contacto con el ejemplo dado arriba, la versión Grey-Cifrada será la siguiente:
1.2. Sistemas de acondicionamiento codificadores.
Un circuito básico oscilador resonante serie, utiliza un cristal que está diseñado para oscilar en su frecuencia resonante serie natural. En éste circuito no hay capacitores en la realimentación Los circuitos resonantes serie son usados por la baja cantidad de componentes que se utilizan, pero estos circuitos pueden tener componentes parásitos que intervienen en la realimentación. y en el caso que el cristal deje de funcionar oscilarán a una frecuencia impredecible. Un circuito oscilador paralelo utiliza un cristal que está diseñado para operar con un valor específico de capacidad de carga. Esto resultará en un cristal que tendrá una frecuencia mayor que la frecuencia resonante serie, pero menor que la verdadera frecuencia resonante paralelo. Un circuito básico se muestra a continuación.
2. Sensores autorresonantes: resonadores de cuarzo, caudalímetro de vórtice.
El principio de funcionamiento de los sensores autorresonantes se basa en un fenómeno físico resonante ofrecen una frecuencia de salida que depende de una magnitud de interés que afecta a la frecuencia de oscilación. Todos requieren un frecuencimetro—contador para medir bien la frecuencia o bien el periodo de oscilación- La elección de uno u otro método depende de la resolución deseada y del tiempo disponible para la medida. Las estructuras resonantes basadas en monocristales de silicio se prestan bien a la realización de circuitos integrados.En sensores se emplean tanto osciladores armónicos como de relajación. En los primeros hay una energía almacenada que cambia de una u otra forma de almacenamiento, por ejemplo de energía cinética en el movimiento de una masa a energía potencial en la tensión de un muelle. En los segundos hay una única forma de almacenamiento, y la energía almacenada se disipa periódicamente mediante algún mecanismo de puesta a cero.Es importante observar que si bien la ausencia de convertidor A/D hace innecesaria una tensión de referencia estable para medir la salida de estos sensores, no por ello es posible medir una magnitud absoluta -la frecuencia del oscilador- sin tener otra magnitud de referencia bien conocida, en este caso el oscilador del que se obtiene la base de tiempos del contador con que se mida la frecuencia. Este oscilador de referencia será generalmente de cristal de cuarzo y tendrá derivas con el tiempo y la temperatura. Las derivas temporales se deben a cambios estructurales en el cuarzo debidos a imperfecciones en la estructura cristalina, a las tensiones mecánicas ejercidas por los soportes sobre el cuarzo, que decrecen con el tiempo, y que varían después de ciclos térmicos: y a los cambios de masa del cristal por absorción de contaminantes dentro del encapsulado.
Tipos de Sensores Autorresonantes
Sensores Resonadores de Cuarzo
Estos sensores están basados en una frecuencia de oscilación alta, se basan en la variación que sufre ésta ante una deformación del cristal, para un elemento con electrodos metálicos depositados en dos de sus caras, en la figura 4 se muestra el circuito eléctrico equivalente de un sensor de cuarzo resonante. En ésta, Lm viene determinada por la masa del cristal, Cm por la elasticidad mecánica, Rm por la fricción interna (que se traduce en una disipación de calor) y Co es la capacidad del soporte del cristal en paralelo con la de los electrodos metálicos, con el material piezoeléctrico como dieléctrico. La presencia de un circuito resonante permite emplear dicho elemento como base de un oscilador.Dado que el cuarzo es inerte, si se emplea un monocristal de gran pureza la estabilidad de la resonancia mecánica a largo plazo es muy alta. La estabilidad a corto plazo depende del factor de calidad Q (alta rigidez, poca histéresis) y la inductancia equivalente, que son muy elevados. Una estabilidad a corto piazo elevada permite diseñar sensores de alta resolución, mientras que una gran estabilidad a largo plazo significa que se necesitarán menos recalibraciones. Existen diversos tipos de sensores resonantes clasificándose según la variable física a medir.
Termómetros Digitales de Cuarzo
Microbalanzas de cuarzo
Sensores de gas resonante
Sensores de fuerza y presión basados en resonadores de cuarzo
Caudalimetro de Vórtice
El principio del caudalimetro de vértice esta basado en la medición de la frecuencia de generación de vórtices por un obstáculo insertado en el flujo, cuya frecuencia es proporcional a la velocidad media, en un campo dado de número de Reynolds.Aunque existan muchos dispositivos de este tipo, experiencia con este metodo de medida de caudal es limitada y este método solamente se puede utilizar con precaución. Por ejemplo, cualquier vibración de la conducción es capaz de alterar la frecuencia medida y por lo tanto debe ser evitada.
a. Basado en uniones semiconductoras.
Este tipo de sensores, como dice su nombre, está basado en uniones P-N.Ya en temas anteriores se han vistos sensores basados en materiales semiconductores, como los termistores, efecto Hall, etc.
Ahora se verán algunos adicionales que no entran en la clasificación anterior.La ventaja de atacar este tipo de dispositivos es el coste reducido que representan y la posibilidad de integrarlos dentro de un sistema mas complejo.
a. Termómetros.Los termómetros basados en diodos semiconductores es la aplicación más simple de las uniones semiconductoras en sensores. Como todos sabéis, los diodos semiconductores, al igual que todos los materiales semiconductores, dependen de la temperatura.
b. Fotodiodos y fototransistores.La celda fotoeléctrica es un ejemplo de sensor basado en uniones semiconductoras. Si se quiere detectar el color de la luz se suelen usar filtros previo a la señal que le llega. Y el color se determina midiendo la corriente generada.
Ahora se verán algunos adicionales que no entran en la clasificación anterior.La ventaja de atacar este tipo de dispositivos es el coste reducido que representan y la posibilidad de integrarlos dentro de un sistema mas complejo.
a. Termómetros.Los termómetros basados en diodos semiconductores es la aplicación más simple de las uniones semiconductoras en sensores. Como todos sabéis, los diodos semiconductores, al igual que todos los materiales semiconductores, dependen de la temperatura.
b. Fotodiodos y fototransistores.La celda fotoeléctrica es un ejemplo de sensor basado en uniones semiconductoras. Si se quiere detectar el color de la luz se suelen usar filtros previo a la señal que le llega. Y el color se determina midiendo la corriente generada.
b. Basados en ultrasonidos.
El ultrasonido se define como ondas de sonido de alta frecuencia que están por encima del rango de percepción humana. El punto más bajo es generalmente 20kHz y el superior ya está en el rango del megahertz. Los seres humanos son capaces de detectar sonidos en el rango de 20Hz a 20kHz. Los instrumentos portátiles que miden la intensidad del ultrasonido transportado en el aire o por medio de una estructura cubren frecuencias desde 20 kHz hasta 100 kHz.
El método generalizado para detectar fugas es sencillo. Un inspector con un instrumento de ultrasonido escanea un área y busca un sonido diferente que se acelera. Con ajustes continuos del control de volumen se sigue el sonido de la fuga hasta que se escucha el punto más alto. Enel rango ultrasónico, el inspector es capaz de discriminar entre ruidos de fondo irrelevantes y la señal de la fuga. Alqunos instrumentos incluyen una sonda focalizadora de hule que estrecha el área de recepción. Estas sondas protegen contra ultrasonidos competitivos y ayudan a localizar la ubicación de fugas pequeñas. La gran ventaja de la detección por ultrasonido es que puede usarse en diferentes ambientes, pues es sensible al sonido y no específica para cada gas. Cuando ocurre una fuga, el fluido (líquido o gas) se mueve desde el lado de alta presión a través del agujero al lado de baja presión de la fuga, donde se expande rápidamente y produce un flujo turbulento. Esta turbulencia tiene fuertes componentes ultrasónicos que son detectados por el instrumento. La intensidad de la señal de ultrasonido cae rápidamente desde la fuente, lo cual permite localizar exactamente el sitio de la fuga.
Para sistemas fuera de servicio, una prueba especializada, denominada una prueba de tono, emplea un transmisor ultrasónico para producir una fuente de sonidos ultrasónicos. La prueba se lleva a cabo colocando un transmisor adentro, o en un lado de la pieza del equipo a inspeccionar.
Una señal vibratoria viaja por toda la pieza y penetra cualquier sitio de fuga existente. Un escaneado para penetración sónica usa un instrumento de ultrasonido y localiza la fuga. Esta prueba es especialmente apta para intercambiadores de calor.
c. Basado en fibras ópticas.
Los sensores de Fibra Optica están formados por un amplificador que contiene el del emisor y el receptor, y un cable de fibra óptica que transmite y recibe la luz reflejada por el objeto a detectar.
Las características y presentaciones dependen mucho del fabricante. Así como en las Fotocélulas, la evolución tecnológica no se ha hecho muy patente, en los sensores de Fibra Optica se ha notado una evolución en los últimos años muy importante.
Un filamento de vidrio sumamente delgado y flexible (de 2 a 125 micrones) capaz de conducir rayo ópticos (señales en base a la transmisión de luz). Las fibras ópticas poseen capacidades de transmisión enormes, del orden de miles de millones de bits por segundo. Se utilizan varias clases de vidrios y plásticos para su construcción.
Una fibra es un conductor óptico de forma cilíndrica que consta del núcleo (core), un recubrimiento (clading) que tienen propiedades ópticas diferentes de las del núcleo y la cubierta exterior (jacket) que absorbe los rayos ópticos y sirve para proteger al conductor del medio ambiente así como darle resistencia mecánica. Además, y a diferencia de los pulsos electrónicos, los impulsos luminosos no son afectados por interferencias causadas por la radiación aleatoria del ambiente.
Cuando las compañías telefónicas reemplacen finalmente los cables de cobre de sus estaciones centrales e instalaciones domiciliarias con fibras ópticas, estarán disponibles de modo interactivo una amplia variedad de servicios de información para el consumidor, incluyendo la T.V. de alta definición.
Cada una de las fibras ópticas, puede transportar miles de conversaciones simultáneas de voz digitalizada.
Los sensores de Fibra Optica están formados por un amplificador que contiene el del emisor y el receptor, y un cable de fibra óptica que transmite y recibe la luz reflejada por el objeto a detectar.Las características y presentaciones dependen mucho del fabricante. Así como en las Fotocélulas, la evolución tecnológica no se ha hecho muy patente, en los sensores de Fibra Optica se ha notado una evolución en los últimos años muy importante.
Parametros de una Fibra Optica
Existen varios parámetros que caracterizan a una fibra óptica. Se habla de parámetros estructurales y de transmisión establecen las condiciones en las que se pueden realizar la transmisión de información.Parametros Estructurales:
*El perfil de índice de refracción.
*El diámetro del núcleo.
*La apertura numérica.
*Longitud de onda de corte.
En cuanto a los parámetros de transmisión:
*Atenuación.
*Ancho de banda.
Las características y presentaciones dependen mucho del fabricante. Así como en las Fotocélulas, la evolución tecnológica no se ha hecho muy patente, en los sensores de Fibra Optica se ha notado una evolución en los últimos años muy importante.
Un filamento de vidrio sumamente delgado y flexible (de 2 a 125 micrones) capaz de conducir rayo ópticos (señales en base a la transmisión de luz). Las fibras ópticas poseen capacidades de transmisión enormes, del orden de miles de millones de bits por segundo. Se utilizan varias clases de vidrios y plásticos para su construcción.
Una fibra es un conductor óptico de forma cilíndrica que consta del núcleo (core), un recubrimiento (clading) que tienen propiedades ópticas diferentes de las del núcleo y la cubierta exterior (jacket) que absorbe los rayos ópticos y sirve para proteger al conductor del medio ambiente así como darle resistencia mecánica. Además, y a diferencia de los pulsos electrónicos, los impulsos luminosos no son afectados por interferencias causadas por la radiación aleatoria del ambiente.
Cuando las compañías telefónicas reemplacen finalmente los cables de cobre de sus estaciones centrales e instalaciones domiciliarias con fibras ópticas, estarán disponibles de modo interactivo una amplia variedad de servicios de información para el consumidor, incluyendo la T.V. de alta definición.
Cada una de las fibras ópticas, puede transportar miles de conversaciones simultáneas de voz digitalizada.
Los sensores de Fibra Optica están formados por un amplificador que contiene el del emisor y el receptor, y un cable de fibra óptica que transmite y recibe la luz reflejada por el objeto a detectar.Las características y presentaciones dependen mucho del fabricante. Así como en las Fotocélulas, la evolución tecnológica no se ha hecho muy patente, en los sensores de Fibra Optica se ha notado una evolución en los últimos años muy importante.
Parametros de una Fibra Optica
Existen varios parámetros que caracterizan a una fibra óptica. Se habla de parámetros estructurales y de transmisión establecen las condiciones en las que se pueden realizar la transmisión de información.Parametros Estructurales:
*El perfil de índice de refracción.
*El diámetro del núcleo.
*La apertura numérica.
*Longitud de onda de corte.
En cuanto a los parámetros de transmisión:
*Atenuación.
*Ancho de banda.
lunes, 7 de julio de 2008
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 relacionados 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.
El 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 Efecto Peltier
Existe un campo el eléctrico en la juntura entre dos materiales distintos. Cuando una fuente externa induce un flujo electrónico en el sentido del campo eléctrico, los electrones deben transformar energía cinética en energía potencial. Un movimiento más lento de los electrones, puede visualizarse como en una disminución de la temperatura. Si por el contrario, los electrones se mueven en sentido contrario, su velocidad aumenta por efecto del campo eléctrico extra.
Este aumento de la velocidad electrónica puede verse nuevamente como un aumento de la temperatura.
En la figura se muestra un esquema de un arreglo de junturas utilizado comercialmente como refrigerador.
En la figura se muestra un esquema de un arreglo de junturas utilizado comercialmente como refrigerador.
Esquema de un refrigerador termoeléctrico. Este dispositivo hace uso del efecto Peltier para mantener refrigerado algún sistema.
El 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 Efecto Seebeck
El efecto Seebeck puede explicarse en términos de la teoría de electrones libres en metales. Según esta aproximación, los electrones en un metal se mueven al azar, sin sufrir el efecto de fuerza neta alguna, al estar rodeados por otros iones en forma simétrica.
Cerca de la superficie del material, empero, la situación es diferente, debido a la rotura de la simetría. Si ahora se colocan dos materiales formando una juntura, la diferencia en densidades electrónicas a ambos lados de la interface se traduce en una fuerza neta sobre los electrones, que tienden a moverse del material con mayor densidad a aquel con menos. Este flujo de electrones induce la aparición de un campo eléctrico y consecuentemente de una diferencia de potencial en la juntura.
Consideremos ahora un circuito formado por dos de estas junturas puestas en serie, en lo que comúnmente se denomina una termocupla. Si la temperatura de las dos junturas que conforman la termocupla es la misma, los campos eléctricos formados en cada juntura tendrán igual módulo, pero signos distintos, por lo que la diferencia de potencial a lo largo de todo el circuito será nula.
Si por otro lado, una de las junturas está a mayor temperatura, los electrones de la juntura más caliente vibrarán más y el campo eléctrico generado en esta juntura será distinto (mayor) al generado en la juntura a menor temperatura.
De esta manera, la diferencia de temperaturas entre las junturas se evidencia como una diferencia de potencial en el circuito.
Tipos de Termopares
Consideraciones en las uniones de un termopar:
Resistencia elevada para no requerir mucha masa, lo que implica alta capacidad calorífica y respuesta lenta.
Resistencia elevada para no requerir mucha masa, lo que implica alta capacidad calorífica y respuesta lenta.
- Coeficiente de temperatura débil en la resistividad.
- Resistencia a la oxidación a altas temperaturas.
- Linealidad de la respuesta.
Estas propiedades se obtienen mediante las aleaciones que muestra la tabla siguiente :
Otros tipos de termopares.
En la actualidad se han hecho investigaciones en termopares fabricados con ambos brazos sin aleación, con el fin de eliminar los efectos de inestabilidad y gradientes de temperatura debidos cambios no uniformes en la composición de la aleación, causadas por la exposición a altas temperaturas. Algunos de estos termopares son : el termopar de “platino- oro” que tienen magnificas características termoeléctricas, gran estabilidad, exactitud y alta reproducibilidad. Así como el termopar de “platino – paladio” con gran estabilidad.Los termopares de “tungsteno – renio” y aleaciones con otros materiales como : molibdeno, iridio y rodio, han mostrado un buen desempeño a temperaturas tan altas como 2750ºC y pueden ser utilizados como termopares: A, B, C, D, G y W.
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:
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 .
* 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 varíe la sección transversal de conductor.
* Ley de los Metales Intermedios
La suma algebraica de las f.t.e.m en un circuito compuesto de un número cualquiera 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.
* Ley de las Temperaturas Sucesivas o Intermedias
Si dos metales 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
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 una temperatura de referencia.
Solución de gran exactitud y fiabilidad, pero de alto coste y difícil mantenimiento.
Una solución que permite usar un hilo más económico se muestra en la figura siguiente
Una solución que permite usar un hilo más económico se muestra en la figura siguiente
Si el margen de variación de la Tª ambiente es menor que la resolución deseada, puede dejarse la unión al aire.
Compensación electrónica de la unión de referencia.
Consiste en detectar las variaciones de la unión de referencia con otro sensor colocado en la vecindad de la unión de referencia y se suma una la tensión igual a la generada en la unión fria. La tensión de alimentación del puente debe ser estable.
Explicacion de la Tabla Estandar 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 400ºCF.E.M. producida: -6,258 mV a 20,872 mVCaracterísticas: 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 760ºCF.E.M. producida: -8,096 mV a 42,919 mVCaracterísticas: 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 1000ºCF.E.M. producida: -9,835 mV a 76,373 mVCaracterísticas: 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 1200ºCF.E.M. producida: -6,458 mV a 48,838 mVCaracterísticas: 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 1300ºCF.E.M. producida: -4,345 mV a 47,513 mVCaracterísticas: 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 1768ºCF.E.M. producida: -0,236 mV a 18,693 mVCaracterísticas: 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 1768ºCF.E.M. producida: -0,226 mV a 21,101 mVCaracterísticas: 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 1820ºCF.E.M. producida: 0,000 mV a 13820 mVCaracterísticas: 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.
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 400ºCF.E.M. producida: -6,258 mV a 20,872 mVCaracterísticas: 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 760ºCF.E.M. producida: -8,096 mV a 42,919 mVCaracterísticas: 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 1000ºCF.E.M. producida: -9,835 mV a 76,373 mVCaracterísticas: 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 1200ºCF.E.M. producida: -6,458 mV a 48,838 mVCaracterísticas: 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 1300ºCF.E.M. producida: -4,345 mV a 47,513 mVCaracterísticas: 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 1768ºCF.E.M. producida: -0,236 mV a 18,693 mVCaracterísticas: 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 1768ºCF.E.M. producida: -0,226 mV a 21,101 mVCaracterísticas: 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 1820ºCF.E.M. producida: 0,000 mV a 13820 mVCaracterísticas: 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.
Sensores Piezoelectricos
Efecto piezoeléctrico
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 entre dos caras de un material piezoeléctrico, aparece una deformación. Ambos efectos fueron descubiertos por Jacques y Pierre Curie en 1880-81.La piezoelectricidad no debe confundirse con la ferroelectricidad, que es la propiedad de presentar un momento eléctrico dipolar ( espontáneo o inducido). Todos los materiales ferroelectricos son piezoeléctricos, pero no al revés. Mientras la piezoelectricidad esta relacionada con la estructura cristalina (iónica), el ferromagnetismo esta relacionado con el espin de los electrones.La descripción de la interrelación entre las magnitudes eléctricas y mecánicas en un material piezoeléctrico se hace mediante las denominadas ecuaciones piezoeléctricas.
Materiales piezoeléctricos
Las propiedades piezoeléctricas se manifiestan en 20 de las 32 clases cristalográficas, aunque en la práctica se usan solo unas pocas, y también en materiales amorfos ferroelectricos. De aquellas 20 clases, solo diez tienen propiedades ferroelectricas.En cualquier caso todos los materiales piezoeléctricos son necesariamente anisótropos.Entre los materiales piezoeléctricos naturales, los de uso mas frecuente son el cuarzo y la turmalina. De las sustancias sintéticas, las que han encontrado mayor aplicación no son monocristalinos sino cerámicas.
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 entre dos caras de un material piezoeléctrico, aparece una deformación. Ambos efectos fueron descubiertos por Jacques y Pierre Curie en 1880-81.La piezoelectricidad no debe confundirse con la ferroelectricidad, que es la propiedad de presentar un momento eléctrico dipolar ( espontáneo o inducido). Todos los materiales ferroelectricos son piezoeléctricos, pero no al revés. Mientras la piezoelectricidad esta relacionada con la estructura cristalina (iónica), el ferromagnetismo esta relacionado con el espin de los electrones.La descripción de la interrelación entre las magnitudes eléctricas y mecánicas en un material piezoeléctrico se hace mediante las denominadas ecuaciones piezoeléctricas.
Materiales piezoeléctricos
Las propiedades piezoeléctricas se manifiestan en 20 de las 32 clases cristalográficas, aunque en la práctica se usan solo unas pocas, y también en materiales amorfos ferroelectricos. De aquellas 20 clases, solo diez tienen propiedades ferroelectricas.En cualquier caso todos los materiales piezoeléctricos son necesariamente anisótropos.Entre los materiales piezoeléctricos naturales, los de uso mas frecuente son el cuarzo y la turmalina. De las sustancias sintéticas, las que han encontrado mayor aplicación no son monocristalinos sino cerámicas.
Sensores Piroelectricos
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.
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