Sensores generadores, Efecto reversible e irreversible

Sensores Generadores. Son aquellos que general una señal eléctrica a partir de la magnitud que miden, 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 basan en efectos reversibles están relacionados con diversos tipos de accionamientos o aplicaciones inversa en general. Es decir, se pueden emplear para la generación de acciones no eléctricas a partir de señales eléctricas. Contrario a aquellos que se basan en efectos irreversibles, ya que, no podrian generan accionamientos de este tipo. Un tipomd efecto irreversible es el conocido efecto Joule, puesto que, "la cantidad de calor producido por una corriente eléctrica, depende directamente del cuadrado de la intensidad de corriente, del tiempo que ésta circula por el conductor y de la resistencia que opone el mismo al paso de la corriente".

Efecto reversibles como Seebeck, no depende del cuadrado de la intensidad de corriente, ya que, la f.e.m no depende ni de resistividad, ni de la sección, ni distribución o gradiente de temperatura. Depende sóloo de la diferencia de tenperatura entre las uniones y la naturaleza de los metales.

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 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.

Efecto Peltier

El efecto Peltier produce una f.e.m en la junta de dos metales diferentes. Esta fem depende de la temperatura y del par de metales que forman la junta. La unión de los metales debe ser en un contacto íntimo, pero, no necesariamente soldada. Este efecto se puede manifestar también como la absorción o liberación de energía térmica cuando en una junta de metales diferentes circula una corriente.

Efecto Thomson

El efecto Thomson da la relación entre la fem generada en un conductor homogéneo simple y la diferencia de temperatura entre sus extremos. Esta fem crece con la diferencia de temperaturas y depende del metal en cuestión. Ver figura. También se manifiesta en la liberación o absorción de calor cuando una corriente circula por un metal homogéneo en el que hay un gradiente de temperaturas entre sus extremos.
La liberación de calor sucede cuando la corriente circula en el conductor en la misma dirección que lo hace el flujo de calor en el mismo que está dado por el gradiente de temperaturas mencionado.

Efecto Seebeck

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.

Ciclo de Circulación de tensiones en la termocupla

Esbck = EPLTBAT2 - EPLTBAT1 + EThA - EThB


Expresión de la tensión de Seebeck donde:
ESBCK es la tensión de Seebeck.
EPLTABT2 es la tensión de Peltier en la unión de los metales A,B a la temperatura T2.(medición)
EPLTBAT1 es la tensión de Peltier en la unión de los metales B,A a la temperatura T1
EThA es la tensión Thomson en el conductor A.
EThB es la tensión Thomson en el conductor B.
Las tensiones de Thomson dependen de las temperaturas T2 (medición) y T1 (referencia) ya que en el circuito de ejemplo éstas representan los gradientes , como así también de las características de cada uno de los metales A, B.

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.

Construción de termopares

Consta de la unión de 2 segmentos de metales de diferente aleación, en un soló punto. Y los extremos restante son los terminales donde se conecta el instrumento de medida. A continuación se presentan las diferentes uniones para construir termopares en función de la aplicación que se desea para el mismo.

a) Unión soldada en extremos.

b) Unión soldada en paralelo.

c) Hilo trenzado.

d) Termopar expuesto: respuesta rápida.

e) Termopar encapsulado: aislamiento eléctrico

f) Termopar unido a la cubierta: Aislamiento ambiental.