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.

Normas de la aplicación práctica por los termopares

1. Ley de los circuitos homogéneos.

En un conductor metálico homogéneo no puede sostenerse la circulación de corriente eléctrica por la aplicación exclusiva de calor. En una termocupla con las juntas de los metales A y B a las temperaturas T1 y T2 la fem termoeléctrica generada es independiente de las temperaturas intermedias en los conductores A y B.

2. Ley de los metales intermedios.

Si en una termocupla insertamos un segmento de conductor de un tercer metal C, en alguno de los dos conductores metálicos A ó B. la fem generada será independiente de la existencia de este tercer conductor siempre que las temperaturas de las juntas del mismo sean iguales.


En la figura siguiente vemos las extensiones en Cobre mientras que el par de medición es de Hierro Constantán. Los bloques de unión deben permanecer a la misma temperatura para que no se agreguen tensiones que no corresponden a la medición.

3. Ley de las temperaturas sucesivas.

La fem generada por un termocupla con sus juntas a las temperaturas T1 T3 es la suma algebraica de la fem de dicha termocupla con sus juntas a T1 T2 mas la fem de la misma termocupla con sus juntas a las temperaturas T2 T3.Ver Figura 1.09
Figura 1.09
La relación entre las fem y las temperaturas sucesivas permite aplicar correcciones cuando la temperatura de referencia varía, sumando algebraicamente la tensión que generaría esa junta de referencia al estar a otra temperatura distinta de la referencia de la tabla.

Efecto de la temperatura ambiente en la unión de referencia de los termopares

La termocupula genera una tensión diferencial en su salida, para visualizar la misma debe conectarse a esta un instrumento de medida a fin de obtener el dato requerido, en esta caso el voltaje en magnitudes de mV. Esta unión de las terminales de la termocupula con las terminales del instrumento generan dos nuevas termocupulas entre el cobre y el metal de cada una, induciendose en cada punto de empalme un voltaje proporcional a temperatura ambiente (Ta).

Compensación de la unión de referencia de los termopares.

Compensación "a cero"

Teniendo en cuenta que la termocupula, hecha de metal F y metal L está sometida a una temperatura T. Colocamos en los extremos un voltímetro con puntas de prueba de cobre a temperatura ambiente Ta. Para compensar el efecto de la unión de referencia, procederemos d ela siguiente manera:
Siendo V la tensión que marca el tester, al recorrer el circuito:
V = Vcu,f(Ta) + Vf,l(T) + Vl,cu(Ta)

Asociamos los valores relacionados, y obtenemos:
V = ( Vl,cu(Ta) + Vcu,f(Ta) ) + Vf,l(T)

luego:
V = Vf,l(T) - Vf,l(Ta)

Para conocer la temperatura T, el cual es el valor real al cual esta sometida la termocupula, necesitamos conocer Vf,l(T), que se obtiene despejandolo:

Vf,l(T) = V + Vf,l(Ta)

Conociendo el valor de Ta, se busca en la tabla correspondiente a la termocúpula utilizada, en valor de Vf,l(Ta) y se suma a V ( valor adquirido a través del voltímetro) con loq ue se obtiene Vf,l(T). Teniendo este valor se busca en la tabla el valor de T.

Cables compensados

Se denominan así a aquellos cables hechos de una aleación de menor costo con la que fabrican la termocupula, pero que presentan una coefienciente de Seebeck igual al de la misma. Se utilizan cuando el instrumento de medición se encuentra muy alejado de la termocupula, de esta forma se reducen costos en el proceso y se elimininan las termocupulas parásitas en el emplame. Dichos cables presentan una polaridad, (+) y (-), especificado por el fabricando con un color específico del material con el que recubren los mismos; esta polaridad se debe respetar, puesto que, de forma contraria se generaria error en la medida y sería imposible obtener el valor verdadero que se requiere para el control del proceso que estemos llevando a cabo.

Explicación de la tabla estándar de los termopares

Teniendo el voltaje (mV) obtenido al conectar un multimetro a la salida del termopar, buscamos en la tabla el valor que se le aproxime, tanto por arriba como por debajo, a este; una vez obtenido nos fijamos en la parte izquierda, siguiendo el parelelo del valor obtenido, donde se localizan los diferentes niveles de temperatura ( ºC) en decenas, esto nos dara un nivel de referencial; luego nos fijamos en la parte superior, siguiendo el paralelo de la tensión obtenida, donde se localizan los diferentes niveles de temperatura (ºC) por unidad. Esta última magnitud la sustituimos por la cifra menos significativa del nivel de referencial de temperatura obtenido de la parte izquierda de la tabla. El resultado final indicara la temperatura equivalente a la magnitud de tensión que adquirimos en primera instancia.
Ejemplo:
Para una tensión de 3.870 mV, la temperatura será de 74 ºC ( 347 K)

Sensores piezoeléctricos

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 que 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, ver figura 2.6. 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. Debe notarse 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.
Matemáticamente puede establecerse que la carga total inducida q es directamente
proporcional a la fuerza f que se aplica sobre el piezoeléctrico:
q=k.f (1)
Donde k es una constante piezoeléctrica que depende del material. El cambio de voltaje
se puede encontrar “asumiendo” que el sistema actúa parecido a un capacitor. Está
suposición tiene sentido, ya que un capacitor es un dispositivo que almacena energía.
Aún cuando el piezoeléctrico no la acumule exactamente, este puede brindar un potencial
tras la aplicación de la fuerza mecánica adecuada.
La carga en un capacitor q es proporcional al Voltaje V, y la constante de proporcionalidad
es la capacitancia C. Reemplazando la relación conocida entre capacitancia y corriente se
obtiene:
i=C . (d˙v / dt )

pero sabemos que la corriente i= dq /dt

(donde q es carga) reemplazando se obtiene que:
dq / dt = C .( d˙v / dt)

Luego eliminamos dt e integramos para obtener que q=C V˙
y ahora valiéndose de la ecuación 2.8 (definición de capacitancia) se obtiene que:
V= k.f / C = k.f.x / ε0.εr.A (1.2)

Algunos valores típicos para k son 2.3 pC/N (pico Coulombs por Newton) para el cuarzo y
140 pC/N para el titanio de bario. Así para un sensor piezoeléctrico de cuarzo de 1 cm2 de
área y 1 mm de espesor produce un voltaje de 0.23 mV como respuesta a una fuerza
aplicada de 10g. Bajo las mismas condiciones un piezoeléctrico de titanio de bario
generaría 14mV aproximadamente. En la mayoría de los casos la primera etapa de
acondicionamiento de un sendor piezoeléctrico es la amplificación.

Es importante familiarizarse con el circuito equivalente de un transductor piezoeléctrico,
figura siguiente. Note por favor el uso de la palabra “equivalente”, pues un transductor
piezoeléctrico no está hecho de condensadores, pero esta forma de modelarlo es útil para
entender y modificar sus propiedades.

Los piezoeléctricos tienen una respuesta en frecuencia finita, así el interesado en calcular
la frecuencia inferior de un sensor piezoeléctrico a -3 dB puede hacer uso de la siguiente
ecuación:
f c= 1 /( 2. ∏.R.C ) (1.3)
La ecuación 2 indica que para modificar la respuesta en frecuencia es posible valerse
de dos variables: la capacitancia y la impedancia de entrada. Para ilustrar esta idea
considere una capacitancia C = 0.5 nF y una impedancia de entrada R = 5 MΩ,
reemplazando en la ecuación 2.13 se obtendría f = 64 Hz. Nótese que si se cambia el valor
de R por un valor cualquiera, supóngase 500KΩ , la frecuencia aumentaría a 640Hz.
En bioinstrumentación existen múltiples aplicaciones para los piezoeléctricos: medición
de algunos eventos fisiológicos y registro de sonidos del corazón, como microbalanza, para medir velocidad a través del efecto doppler e imagenología ultrasónica.

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.
Cualquier polímero amorfo puede ser piroeléctrico

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 y 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 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.

Atendiendo a su longitud de onda, la radiación electromagnética recibe diferentes nombres. Desde los energéticos rayos gamma (con una longitud de onda del orden de picometros) hasta las ondas de radio (longitudes de onda del orden de varios kilómetros) pasando por la luz visible cuya longitud de onda está en el rango de las décimas de micra. El rango completo de longitudes de onda forma el espectro electromagnético, del cual la luz visible no es más que un minúsculo intervalo que va desde la longitud de onda correspondiente al violeta (380 nm) hasta la longitud de onda del rojo (780 nm). Los colores del espectro se ordenan como en el arco iris, formando el llamado espectro visible.
Si hablamos de luz en sentido estricto nos referimos a radiaciones electromagnéticas cuya longitud de onda es capaz de captar el ojo humano, pero técnicamente, el ultravioleta, las ondas de radio o las microondas también son luz, pues la única diferencia con la luz visible es que su longitud de onda queda fuera del rango que podemos detectar con nuestros ojos; simplemente son "colores" que nos resultan invisibles, pero podemos detectarlos mediante instrumentos específicos cjc.

Fuentes de luz habituales
1. Color: INFRARROJO.

Rango: 890…950 nm.

Características: No visible, son relativamente inmunes a la luz ambiente artificial. Generalmente se utilizan para detección en distancias largas y ambientes con presencia de polvo.
Rango
Características

2. Color: ROJO
Rango: 660…700 nm
Características: Al ser visible es más sencilla la alineación. Puede ser afectado por luz ambiente intensa, y es de uso general en aplicaciones industriales.

3. Color: VERDE
Rango:560…565 nm
Características: Al ser visible es más sencilla la alineación. Puede ser afectado por luz ambiente intensa, generalmente se utiliza esta fuente de luz para detección de marcas.