lunes, 23 de febrero de 2009
SENSORES GENERADORES
Se consideran sensores generadores aquellos que generan una señal eléctrica, a partir de la magnitud que miden, sin necesidad de una alimentación. 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 accionadores o aplicaciones inversas en general. Es decir, se pueden emplear para la generación de acciones no eléctricas a partir de señales eléctricas
Efecto Reversible
Se define como aquel proceso que una vez ocurrido puede ser revertido a su estado inicial, sin producir cambios en el sistema o sus alrededores. En otras palabras el sistema y alrededores retornan a su estado original sin sufrir variaciones. Los procesos reversibles son idealizaciones de procesos verdaderos.
Efecto Irreversible
Es todo lo contrario al efecto reversible, es decir, si una señal X se genera con una señal Y, el efecto reversible no permite generar la señal Y a partir de X.
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.
EFECTO TERMOELECTRICO
La ilustración corresponde a un texto de física del siglo pasado (E.M. Avery. Elements of Natural Philosophy, Sheidon and Co, 1885, pág. 294).
La barra superior m n es de cobre; la inferior o p es de hismuto. Esta estructura rectangular se orienta en el meridiano magnético y en su interior se sitúa una aguja magnética. Al calentar una de las soldaduras se produce una corriente y la aguja magnética se desvía como indica la figura. La soldadura puede también enfriarse con un trozo de hielo o situando encima un algodón empapado en éter. En este caso se produce una corriente de dirección opuesta a la anterior y la aguja se desvía en sentido contrario.
EFECTO TERMOELECTRICO
La ilustración corresponde a un texto de física del siglo pasado (E.M. Avery. Elements of Natural Philosophy, Sheidon and Co, 1885, pág. 294).
La barra superior m n es de cobre; la inferior o p es de hismuto. Esta estructura rectangular se orienta en el meridiano magnético y en su interior se sitúa una aguja magnética. Al calentar una de las soldaduras se produce una corriente y la aguja magnética se desvía como indica la figura. La soldadura puede también enfriarse con un trozo de hielo o situando encima un algodón empapado en éter. En este caso se produce una corriente de dirección opuesta a la anterior y la aguja se desvía en sentido contrario.
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.
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 Thompson (Lord Kelvin -1854
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.
Efecto Seebeck
El efecto Seebeck fue descubierto por Thomas Seebeck en 1821. Este efecto se manifiesta cuando dos cables de materiales diferentes se unen en sus dos extremos y uno de ellos es calentado. La respuesta a este calentamiento consiste en la aparición de una corriente continua en el circuito termoeléctrico así formado.
Efecto Seebeck en dos metales unidos.
Si el circuito anterior se corta en su parte central el resultado es un termopar. En este, el voltaje de circuito abierto que aparece en los terminales cortados (tensión de Seebeck) es una función de la temperatura de la unión y del tipo de metales unidos.
Tensión de Seebeck.
Todos los metales distintos unidos de esta forma manifiestan este efecto. Para cambios pequeños de temperatura la tensión de Seebeck guarda una relación lineal con la temperatura en la forma :
donde la constante de proporcionalidad α es el llamado coeficiente de Seebeck.
martes, 10 de febrero de 2009
Tipos de Termopares .
Para escoger los materiales que forman el termopar se deben tomar en cuenta algunos factores que garanticen su mantenimiento y comercialización. De esta forma se han desarrollado los siguientes tipos:
COBRE – CONSTANTANO (TIPO T)
Están formados por un alambre de cobre como conductor positivo y una aleación de 60% de cobre y 40% de níquel como elemento conductor negativo. Tiene un costo relativamente bajo, se utiliza para medir temperaturas bajo o 0 °C. Y como limite superior se puede considerar los 350º C, ya que el cobre se oxida violentamente a partir de los 400º C.
HIERRO – CONSTANTANO (TIPO J )
En este tipo de junta el hierro es electropositivo y el constantano electronegativo. Mide temperaturas superiores que el anterior ya que el hierro empieza a oxidarse a partir de los 700º C. No se recomienda su uso en atmósfera donde exista oxigeno libre. Tiene un costo muy bajo y esto permite que su utilización sea generalizada.
CHROMEL – ALUMEL (TIPO K)
Una aleación de 90% de níquel y 10% de cromo es el conductor positivo y un conductor compuesto de 94% de níquel, 2% de Aluminio, 3% de manganeso y 1% de Silicio como elemento negativo. Este termopar puede medir temperaturas de hasta 1200º C. Ya que el níquel lo hace resistente a la oxidación. Se los utiliza con mucha frecuencia en los hornos de tratamientos térmicos. Su costo es considerable lo que limita su utilización.
PLATINO RODIO – PLATINO (TIPO R)
Tienen como conductor negativo un alambre de platino y como conductor positivo una aleación de 87% de platino con 13% de sodio. Este tipo de junta desarrollada últimamente con materiales de alta pureza son capaces de medir hasta 1500º C si se utilizan las precauciones debidas.
Son muy resistentes a la oxidación pero no se aconseja su aplicación en atmósferas reductoras por su fácil contaminación con el hidrógeno y nitrógeno que modifican la respuesta del instrumento.
PLATINO RODIO – PLATINO ( TIPO S )
El conductor positivo es una aleación de 90% de platino y 10% de Rodio mientras que conductor negativo es un alambre de platino. Sus características son casi similares al termopar anterior con la diferencia que no puede usarse a temperaturas elevadas porque los metales no son de alta pureza produciendo alteraciones de la lectura a partir de los 1000º C. en adelante.
MOLIBDENO – RENIO
Fue desarrollado recientemente y se utiliza para temperaturas inferiores a los 1650º C. Se recomienda usarlos en atmósferas inertes, reductoras o vacío ya que el oxigeno destruye al termopar.
TUNSTENO – RENIO
Al igual que el anterior fue recientemente creado y no tiene datos normalizados de temperatura y mili voltajes. Puede medir temperaturas de hasta 2000º C, el oxigeno y los cambios bruscos de temperaturas destruyen al termopar. Funcionan perfectamente en atmósferas reductoras e inertes si se los protege con funda cerámicas.
IRIDIO – IRIDIO RODIO
Puede medir como máximo 2.000 °C. Su uso es recomendable en atmósferas oxidantes que contienen oxigeno libre. El Hidrógeno produce alteraciones permanentes en el termopar, reduciendo además su vida útil.
TUNGSTENO – TUNGSTENO RENIO
Tiene igual utilización que el tungsteno – renio con la única diferencia que genera mayor mili voltaje por grado. En la siguiente gráfica se muestra el mili voltaje generado por los termopares a diversas temperaturas de su junta caliente y con su junta fría a una temperatura de referencia de 32º F o 0 °C.
COBRE – CONSTANTANO (TIPO T)
Están formados por un alambre de cobre como conductor positivo y una aleación de 60% de cobre y 40% de níquel como elemento conductor negativo. Tiene un costo relativamente bajo, se utiliza para medir temperaturas bajo o 0 °C. Y como limite superior se puede considerar los 350º C, ya que el cobre se oxida violentamente a partir de los 400º C.
HIERRO – CONSTANTANO (TIPO J )
En este tipo de junta el hierro es electropositivo y el constantano electronegativo. Mide temperaturas superiores que el anterior ya que el hierro empieza a oxidarse a partir de los 700º C. No se recomienda su uso en atmósfera donde exista oxigeno libre. Tiene un costo muy bajo y esto permite que su utilización sea generalizada.
CHROMEL – ALUMEL (TIPO K)
Una aleación de 90% de níquel y 10% de cromo es el conductor positivo y un conductor compuesto de 94% de níquel, 2% de Aluminio, 3% de manganeso y 1% de Silicio como elemento negativo. Este termopar puede medir temperaturas de hasta 1200º C. Ya que el níquel lo hace resistente a la oxidación. Se los utiliza con mucha frecuencia en los hornos de tratamientos térmicos. Su costo es considerable lo que limita su utilización.
PLATINO RODIO – PLATINO (TIPO R)
Tienen como conductor negativo un alambre de platino y como conductor positivo una aleación de 87% de platino con 13% de sodio. Este tipo de junta desarrollada últimamente con materiales de alta pureza son capaces de medir hasta 1500º C si se utilizan las precauciones debidas.
Son muy resistentes a la oxidación pero no se aconseja su aplicación en atmósferas reductoras por su fácil contaminación con el hidrógeno y nitrógeno que modifican la respuesta del instrumento.
PLATINO RODIO – PLATINO ( TIPO S )
El conductor positivo es una aleación de 90% de platino y 10% de Rodio mientras que conductor negativo es un alambre de platino. Sus características son casi similares al termopar anterior con la diferencia que no puede usarse a temperaturas elevadas porque los metales no son de alta pureza produciendo alteraciones de la lectura a partir de los 1000º C. en adelante.
MOLIBDENO – RENIO
Fue desarrollado recientemente y se utiliza para temperaturas inferiores a los 1650º C. Se recomienda usarlos en atmósferas inertes, reductoras o vacío ya que el oxigeno destruye al termopar.
TUNSTENO – RENIO
Al igual que el anterior fue recientemente creado y no tiene datos normalizados de temperatura y mili voltajes. Puede medir temperaturas de hasta 2000º C, el oxigeno y los cambios bruscos de temperaturas destruyen al termopar. Funcionan perfectamente en atmósferas reductoras e inertes si se los protege con funda cerámicas.
IRIDIO – IRIDIO RODIO
Puede medir como máximo 2.000 °C. Su uso es recomendable en atmósferas oxidantes que contienen oxigeno libre. El Hidrógeno produce alteraciones permanentes en el termopar, reduciendo además su vida útil.
TUNGSTENO – TUNGSTENO RENIO
Tiene igual utilización que el tungsteno – renio con la única diferencia que genera mayor mili voltaje por grado. En la siguiente gráfica se muestra el mili voltaje generado por los termopares a diversas temperaturas de su junta caliente y con su junta fría a una temperatura de referencia de 32º F o 0 °C.
Construcción de Termopares.
a) Termopilas.
Consiste 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)
b) Termopar diferencial
fem=Sa.(ThTref)+
Sb.(ThTh’)+
Sa.(Th’Tref)=
Sab.(ThTh’)
c) 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.
Consiste 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)
b) Termopar diferencial
fem=Sa.(ThTref)+
Sb.(ThTh’)+
Sa.(Th’Tref)=
Sab.(ThTh’)
c) 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.
Normas de aplicación practica por los Termopares
La medición de temperaturas mediante termopares, además de las ventajas e inconvenientes expuestos esta sujeta a una serie de leyes verificadas experimentalmente, que simplifican en gran manera el análisis de circuitos con termopares.
• 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 se varíe la sección transversal del conductor.
La suma algebraica de las fuerzas termoelectromotrices en un circuito compuesto por un número cualquiera de metales distintos es cero si todo el circuito se encuentra a temperatura uniforme.
La suma algebraica de las fuerzas termoelectromotrices en un circuito compuesto por un número cualquiera de metales distintos es cero si todo el circuito se encuentra a temperatura uniforme.
• Ley de los Metales Intermedios
La suma algebraica de las ftem. en un circuito compuesto de un numero cualesquiera 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. El instrumento se puede intercalar en un conductor o en un a unión. Un colorario de esta leyes 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 1a ftem. detectada con un par determinado. Basta con conocer su comportamiento con un tercero. Se ha convenido en tomar el Platino como referencia.
Figura 1. termopar Tipo J
Usando la Ley de termopar para Metales Intermedios y tomando algunas suposiciones simples, usted puede ver que el voltaje medido por un sistema de adquisición de datos depende únicamente del tipo de la termopar, del voltaje en la termopar y la temperatura de la unión-en-frío. El voltaje medido es independiente de la compensación de los cables de medición y de las uniones-en-frío, J2 y J3.
De acuerdo con la Ley de termopar para Metales Intermedios, que se ilustra en la Figura 1, al insertar cualquier tipo de cable dentro del circuito de una termopar no se tiene efecto en la salida siempre y cuando ambos terminales del cable estén a la misma temperatura, es decir, sean isotérmicos.
Figura 2. Ley de termopar para Metales Intermedios
Considere el circuito de la Figura 3. Este circuito es similar al descrito previamente en la Figura 1, pero en esta ocasión un pequeño cable de constantan se ha insertado justo antes de la unión J3 y se asume que las uniones de éste poseen temperaturas idénticas. Asumiendo que las uniones J3 y J4 están a la misma temperatura, La Ley de termopar para Metales Intermedios indica que el circuito de la Figura 3 es eléctricamente equivalente al circuito de la Figura 1. Por lo tanto, cualquier resultado tomado desde el circuito de la Figura 3 también aplica para el circuito mostrado en la Figura 1.
Figura 3. Inserción de un Cable Extra en la Región Isotérmica
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 un a unión. Un colorario de esta leyes 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 1a ftem. detectada con un par determinado. Basta con conocer su comportamiento con un tercero. Se ha convenido en tomar el Platino como referencia.
Figura 1. termopar Tipo J
Usando la Ley de termopar para Metales Intermedios y tomando algunas suposiciones simples, usted puede ver que el voltaje medido por un sistema de adquisición de datos depende únicamente del tipo de la termopar, del voltaje en la termopar y la temperatura de la unión-en-frío. El voltaje medido es independiente de la compensación de los cables de medición y de las uniones-en-frío, J2 y J3.
De acuerdo con la Ley de termopar para Metales Intermedios, que se ilustra en la Figura 1, al insertar cualquier tipo de cable dentro del circuito de una termopar no se tiene efecto en la salida siempre y cuando ambos terminales del cable estén a la misma temperatura, es decir, sean isotérmicos.
Figura 2. Ley de termopar para Metales Intermedios
Considere el circuito de la Figura 3. Este circuito es similar al descrito previamente en la Figura 1, pero en esta ocasión un pequeño cable de constantan se ha insertado justo antes de la unión J3 y se asume que las uniones de éste poseen temperaturas idénticas. Asumiendo que las uniones J3 y J4 están a la misma temperatura, La Ley de termopar para Metales Intermedios indica que el circuito de la Figura 3 es eléctricamente equivalente al circuito de la Figura 1. Por lo tanto, cualquier resultado tomado desde el circuito de la Figura 3 también aplica para el circuito mostrado en la Figura 1.
Figura 3. Inserción de un Cable Extra en la Región Isotérmica
• Ley de las temperaturas sucesivas o intermedias. ,
Dos metales homogéneos diferentes producen una tensión V12, cuando sus uniones están a T1 y T2, y hay una tensión V23 cuando están a temperaturas T2 y T3, Entonces, la tensión que aparecerá cuando las uniones se encuentren a T1 y T3 será la suma de las caídas de tensión V12 + V23 e igual a V13.
entonces;
tenemos,
entonces;
tenemos,
Efecto de la temperatura ambiente en la unión de referencia de los termopares.
Para aplicar et 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.
Compensación de la unión de referencia en circuitos de termopares.
Llamamos unión fría a las uniones distintas a la unión que calentamos y que están a temperatura ambiente.
Normalmente no se hallan las dos temperaturas (la de la unión fría y la que se desea medir) por separado, sino que se emplean métodos para medir directamente la tensión correspondiente a la diferencia entre ambas temperaturas. Para llevar a cabo la compensación de temperatura de la unión de referencia (unión fría) se puede
optar por dos soluciones:
A) Compensación por Software: mediante el transductor auxiliar se determina la temperatura del bloque isotérmico y se calcula la tensión equivalente de la unión de referencia Vref. Posteriormente a la tensión medida con el voltímetro (V) se le resta Vref para encontrar la tensión del termopar (V1) y convertirla después en la temperatura equivalente tj1, que es la temperatura que realmente se desea conocer. Esta
solución permite usar un único bloque isotérmico para diferentes termopares.
b)Compensación por Hardware:en este caso, en lugar de determinar la temperatura del bloque isotérmico y posteriormente hallar la tensión equivalente Vref, lo que se hace es insertar directamente una tensión equivalente a ésta en el circuito termoeléctrico de tal manera que ambas se compensen y la medida realizada con el voltímetro (V) sea directamente la tensión correspondiente a la temperatura equivalente tj1. Esta solución es muy rápida pero está restringida a un único termopar. Éste es el método que se utiliza en esta práctica.
Normalmente no se hallan las dos temperaturas (la de la unión fría y la que se desea medir) por separado, sino que se emplean métodos para medir directamente la tensión correspondiente a la diferencia entre ambas temperaturas. Para llevar a cabo la compensación de temperatura de la unión de referencia (unión fría) se puede
optar por dos soluciones:
A) Compensación por Software: mediante el transductor auxiliar se determina la temperatura del bloque isotérmico y se calcula la tensión equivalente de la unión de referencia Vref. Posteriormente a la tensión medida con el voltímetro (V) se le resta Vref para encontrar la tensión del termopar (V1) y convertirla después en la temperatura equivalente tj1, que es la temperatura que realmente se desea conocer. Esta
solución permite usar un único bloque isotérmico para diferentes termopares.
b)Compensación por Hardware:en este caso, en lugar de determinar la temperatura del bloque isotérmico y posteriormente hallar la tensión equivalente Vref, lo que se hace es insertar directamente una tensión equivalente a ésta en el circuito termoeléctrico de tal manera que ambas se compensen y la medida realizada con el voltímetro (V) sea directamente la tensión correspondiente a la temperatura equivalente tj1. Esta solución es muy rápida pero está restringida a un único termopar. Éste es el método que se utiliza en esta práctica.
lunes, 9 de febrero de 2009
Explicación de la tabla estándar de termopares.
Un termopar es un dispositivo formado por la unión de dos metales distintos que produce un voltaje (efecto seedbeck),que es función de la diferencia de la 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.
Según la tabla estándar podemos notar que a medida que disminuye la temperatura, disminuyen los niveles de voltaje entregados, y a medida que aumentan los niveles 1,2,3...6 disminuyen los valores en 50mV por cada nivel.
Sensores Piroelectricos
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.
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.
La aplicación del efecto piezoeléctrico está sujeto a una serie de limitaciones.
a) La resistencia eléctrica que presentan los materiales piezoeléctricos aunque es muy grande no es infinita. De modo que al aplicar un esfuerzo constante se genera inicialmente una carga que inevitablemente es drenada al cabo de un tiempo. Por lo tanto, no tienen respuesta en continua.
b) Estos sensores presentan un pico en la respuesta para la frecuencia de resonancia. Por tanto, es preciso trabajar siempre a frecuencias muy inferiores a la de resonancia mecánica.
c) La sensibilidad presenta derivas con la temperatura. Además, por encima de la temperatura de Curie (específica para cada material) desaparece el efecto piezoeléctrico.
d) La impedancia de salida de estos sensores es muy alta, por lo que para medir la tensión de salida es preciso utilizar amplificadores con una impedancia de entrada enorme. Son los denominados amplificadores electrométricos o de carga.
Entre las ventajas de los sensores piezoeléctricos destacaremos las siguientes:
1) Alta sensibilidad, obtenida muchas veces a bajo coste.
2) Alta rigidez mecánica; las deformaciones experimentadas son inferiores a 1μm. Esta alta impedancia mecánica es conveniente para la medida de variables esfuerzo (fuerza, presión, etc)
3) Pequeño tamaño y posibilidad de obtener dispositivos con sensibilidad unidireccional.
Estas características hacen a este tipo de sensores especialmente adecuados para medir todo tipo de vibraciones. Por ejemplo una aplicación típica es como micrófono. También se utilizan mucho en la detección por ultrasonidos.
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.
La aplicación del efecto piezoeléctrico está sujeto a una serie de limitaciones.
a) La resistencia eléctrica que presentan los materiales piezoeléctricos aunque es muy grande no es infinita. De modo que al aplicar un esfuerzo constante se genera inicialmente una carga que inevitablemente es drenada al cabo de un tiempo. Por lo tanto, no tienen respuesta en continua.
b) Estos sensores presentan un pico en la respuesta para la frecuencia de resonancia. Por tanto, es preciso trabajar siempre a frecuencias muy inferiores a la de resonancia mecánica.
c) La sensibilidad presenta derivas con la temperatura. Además, por encima de la temperatura de Curie (específica para cada material) desaparece el efecto piezoeléctrico.
d) La impedancia de salida de estos sensores es muy alta, por lo que para medir la tensión de salida es preciso utilizar amplificadores con una impedancia de entrada enorme. Son los denominados amplificadores electrométricos o de carga.
Entre las ventajas de los sensores piezoeléctricos destacaremos las siguientes:
1) Alta sensibilidad, obtenida muchas veces a bajo coste.
2) Alta rigidez mecánica; las deformaciones experimentadas son inferiores a 1μm. Esta alta impedancia mecánica es conveniente para la medida de variables esfuerzo (fuerza, presión, etc)
3) Pequeño tamaño y posibilidad de obtener dispositivos con sensibilidad unidireccional.
Estas características hacen a este tipo de sensores especialmente adecuados para medir todo tipo de vibraciones. Por ejemplo una aplicación típica es como micrófono. También se utilizan mucho en la detección por ultrasonidos.
Sensores fotoeléctricos
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 emisor-detector adaptados, e incluso conectados a un relé para control.
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 emisor-detector adaptados, e incluso conectados a un relé para control.
jueves, 29 de enero de 2009
1. Sensores resistivos.
Los sensores moduladores del tipo resistivos, son aquellos que varían una resistencia en función de la variable a medir. Se ha realizado una clasificación de estos sensores en función de la variable a medir, tal como refleja la tabla siguiente:
Variable a
medir
a)Mecánica: (Potenciómetros y galgas extensométricas)
b)Térmica: (Termorresistencia y termistores)
c)Magnética: (Magnetorresistencia)
d)Optica: (Fotorresistencia)
e)Química: (Higrómetro resistivo)
Variable a
medir
a)Mecánica: (Potenciómetros y galgas extensométricas)
b)Térmica: (Termorresistencia y termistores)
c)Magnética: (Magnetorresistencia)
d)Optica: (Fotorresistencia)
e)Química: (Higrómetro resistivo)
1.1. Potenciómetros (Variables mecánicas)
Un potenciómetro es un resistor que posee un contacto móvil deslizante o giratorio
(figura 2.1). La resistencia entre dicho contacto móvil y uno de los terminales fijos
viene dada por:
donde x es la distancia recorrida desde el otro terminal fijo, α la fracción de longitud correspondiente, ρ la resistividad del material, l su longitud y A su sección transversal.
Potenciómetro ideal y su símbolo
La ecuación (2.1) indica que la resistencia medida es proporcional al recorrido del
cursor. Esto no siempre es así, pues la resistividad del material no suele ser uniforme a lo largo de todo el recorrido. Tampoco la resolución es infinita, pues muchos potenciómetros funcionan a saltos y no de manera continua; también hay que tener en cuenta la resistencia del contacto. A pesar de todo ello, los potenciómetros permiten medir fácilmente desplazamientos tanto longitudinales como angulares, así como todo tipo de magnitudes físicas asociadas a los mismos.
(figura 2.1). La resistencia entre dicho contacto móvil y uno de los terminales fijos
viene dada por:
donde x es la distancia recorrida desde el otro terminal fijo, α la fracción de longitud correspondiente, ρ la resistividad del material, l su longitud y A su sección transversal.
Potenciómetro ideal y su símbolo
La ecuación (2.1) indica que la resistencia medida es proporcional al recorrido del
cursor. Esto no siempre es así, pues la resistividad del material no suele ser uniforme a lo largo de todo el recorrido. Tampoco la resolución es infinita, pues muchos potenciómetros funcionan a saltos y no de manera continua; también hay que tener en cuenta la resistencia del contacto. A pesar de todo ello, los potenciómetros permiten medir fácilmente desplazamientos tanto longitudinales como angulares, así como todo tipo de magnitudes físicas asociadas a los mismos.
1.2. Galgas extensométricas (Variables mecánicas)
Las galgas extensométricas se basan en la variación de la resistencia de un conductor
cuando se le somete a un esfuerzo mecánico. Sea un hilo metálico de resistencia R:
donde los parámetros que lo definen mantienen el significado de la expresión,
cualquier esfuerzo al que se le someta provocará un cambio de resistencia que se deberá al cambio de alguno de dichos parámetros:
Según la Ley de Hooke, si aplicamos una fuerza F sobre un conductor unidimensional,
el cambio de longitud que experimenta cumplirá que:
donde E es una constante del material denominada módulo de Young, σ es la tensión
mecánica y ε es la deformación unitaria. La deformación unitaria es adimensional, pero suele hablarse de microdeformaciones (1 microdeformación = 1 με = 10-6 m/m).
cuando se le somete a un esfuerzo mecánico. Sea un hilo metálico de resistencia R:
donde los parámetros que lo definen mantienen el significado de la expresión,
cualquier esfuerzo al que se le someta provocará un cambio de resistencia que se deberá al cambio de alguno de dichos parámetros:
Según la Ley de Hooke, si aplicamos una fuerza F sobre un conductor unidimensional,
el cambio de longitud que experimenta cumplirá que:
donde E es una constante del material denominada módulo de Young, σ es la tensión
mecánica y ε es la deformación unitaria. La deformación unitaria es adimensional, pero suele hablarse de microdeformaciones (1 microdeformación = 1 με = 10-6 m/m).
1.3. Termorresistencias (Variable térmicas)
Estos tipos de sensores suelen designarse por sus siglas en inglés RTD (Resistance
Temperature Detector). Su símbolo es el que se muestra en la figura. La línea recta indica que tienen un comportamiento lineal intrínseco y la anotación que la acompaña indica que su variación se debe a la temperatura y que tiene un coeficiente positivo.
Las RTD se basan en la variación de la resistencia de un conductor con la temperatura. Dicha variación puede expresarse de la forma:
donde R0 es la resistencia a la temperatura de referencia y T es el incremento de
temperatura con respecto a ella. Para determinados conductores, los coeficientes a partir del segundo orden pueden despreciarse con respecto a α1 en un amplio margen de
temperaturas y la expresión anterior queda como:
En el caso del platino, tenemos que ofrece una gran linealidad aunque su sensibilidad es menor que la de otros materiales como el níquel. Por esta razón, uno de los sensores de temperatura más comunes, debido a sus prestaciones, es la sonda de platino de 100Ω, conocida como Pt100. En la tabla 2.1 se resumen las características más importantes de algunos conductores utilizados en este tipo de medidas.
Temperature Detector). Su símbolo es el que se muestra en la figura. La línea recta indica que tienen un comportamiento lineal intrínseco y la anotación que la acompaña indica que su variación se debe a la temperatura y que tiene un coeficiente positivo.
Las RTD se basan en la variación de la resistencia de un conductor con la temperatura. Dicha variación puede expresarse de la forma:
donde R0 es la resistencia a la temperatura de referencia y T es el incremento de
temperatura con respecto a ella. Para determinados conductores, los coeficientes a partir del segundo orden pueden despreciarse con respecto a α1 en un amplio margen de
temperaturas y la expresión anterior queda como:
En el caso del platino, tenemos que ofrece una gran linealidad aunque su sensibilidad es menor que la de otros materiales como el níquel. Por esta razón, uno de los sensores de temperatura más comunes, debido a sus prestaciones, es la sonda de platino de 100Ω, conocida como Pt100. En la tabla 2.1 se resumen las características más importantes de algunos conductores utilizados en este tipo de medidas.
1.4. Termistores (Variables térmicas)
Los termistores (thermally sensitive resistor) son resistores variables con la temperatura basados en semiconductores. En función de que su coeficiente de tempertura sea positivo o negativo, se distingue entre PTC (Positive Temperature Coefficient) y NTC (Negative Temperature Coefficient). Sus símbolos son los mostrados en la figura, donde el trazo horizontal que acompaña a la línea inclinada indica un comportamiento no lineal.
Los termistores se basan en el aumento de portadores en los semiconductores con el
aumento de la temperatura, lo que da lugar a una disminución de su resistencia. Cuando el dopado es muy intenso, el semiconductor adquiere propiedades de coeficiente de temperatura positivo en un rango de temperaturas limitado. En la figura se muestran las características resistencia-temperatura típicas de una NTC y una PTC.
Para las NTC, en un margen de temperaturas reducido (50ºC), la dependencia con la
temperatura se puede considerar de tipo exponencial. Esto es:
donde R0 es la resistencia a la temperatura de referencia T0 y T es la temperatura durante la medida, ambas expresadas en kelvins. El parámetro B es conocido como temperatura característica del material y depende de la temperatura. Si asimilamos el
comportamiento de una NTC a la expresión, propias de las RTD, llegamos a que el
coeficiente de temperatura equivalente o sensibilidad relativa viene dado por:
considerando B constante en el margen de temperaturas en estudio. El valor de B en un
determinado margen de temperaturas T1 – T2 puede obtenerse de la siguiente forma:
Los termistores no siempre son utilizados teniendo en cuenta sus características
resistencia-temperatura. En determinadas ocasiones, es más útil el estudio de sus
características tensión-corriente. En la figura se muestra un ejemplo típico del valor de la tensión en bornes del termistor frente a la corriente que lo atraviesa. Para corrientes bajas, la tensión es prácticamente proporcional a la corriente dado que el autocalentamiento es muy bajo. Sin embargo, a partir del punto A, el autocalentamiento empieza a hacerse apreciable. El punto E indica la corriente máxima que puede soportar el termistor sin deteriorarse. La curva representada en la figura depende de la temperatura ambiente. Si aumenta ésta, la curva se desplaza hacia abajo.
Característica tensión-corriente de un termistor
En régimen transitorio se tiene que la potencia disipada viene dada por:
donde δ (mW/K) es la constante de disipación térmica del termistor, cp (mJ/K) es su
capacidad calorífica y Ta es la temperatura ambiente. Cuando el incremento de
temperatura se estabiliza, es decir, llegamos al régimen estacionario, el segundo término de la expresión anterior se hace cero y se tiene que:
Haciendo uso de la expresión, llegamos a que la tensión en bornes del termistor
puede expresarse como:
Para la tensión máxima se cumple que dV2/dT = 0, que tiene lugar a una temperatura T
tal que:
y la temperatura correspondiente a dicho máximo es la que resulta tomando el signo
menos, y se observa que ésta depende únicamente de la temperatura ambiente y del
parámetro B del termistor, no de su resistencia. Se tiene, por tanto, que en la zona de autocalentamiento el termistor es muy sensible a cualquier efecto que altere la
disipación de calor. Por esta razón, los termistores pueden utilizarse de este modo para medir caudales, niveles, etc. Uno de los inconvenientes de las NTC es que no tienen un comportamiento lineal que puede ser necesario en algunas aplicaciones. Una manera de “linealizar” una NTC es colocándole un resistor en paralelo y considerar a todo el conjunto como un único elemento. En ese caso se tendrá que la resistencia de dicha combinación en paralelo viene dada por:
Tal como se observa en la última expresión correspondiente al coeficiente de temperatura equivalente, dicha configuración da lugar a una pérdida de sensibilidad. Sin embargo, el comportamiento sigue siendo no lineal, aunque su variación con la
temperatura es menor. En la figura puede apreciarse más claramente el cambio de
comportamiento al añadir una resistencia en paralelo al termistor.
Los termistores se basan en el aumento de portadores en los semiconductores con el
aumento de la temperatura, lo que da lugar a una disminución de su resistencia. Cuando el dopado es muy intenso, el semiconductor adquiere propiedades de coeficiente de temperatura positivo en un rango de temperaturas limitado. En la figura se muestran las características resistencia-temperatura típicas de una NTC y una PTC.
Para las NTC, en un margen de temperaturas reducido (50ºC), la dependencia con la
temperatura se puede considerar de tipo exponencial. Esto es:
donde R0 es la resistencia a la temperatura de referencia T0 y T es la temperatura durante la medida, ambas expresadas en kelvins. El parámetro B es conocido como temperatura característica del material y depende de la temperatura. Si asimilamos el
comportamiento de una NTC a la expresión, propias de las RTD, llegamos a que el
coeficiente de temperatura equivalente o sensibilidad relativa viene dado por:
considerando B constante en el margen de temperaturas en estudio. El valor de B en un
determinado margen de temperaturas T1 – T2 puede obtenerse de la siguiente forma:
Los termistores no siempre son utilizados teniendo en cuenta sus características
resistencia-temperatura. En determinadas ocasiones, es más útil el estudio de sus
características tensión-corriente. En la figura se muestra un ejemplo típico del valor de la tensión en bornes del termistor frente a la corriente que lo atraviesa. Para corrientes bajas, la tensión es prácticamente proporcional a la corriente dado que el autocalentamiento es muy bajo. Sin embargo, a partir del punto A, el autocalentamiento empieza a hacerse apreciable. El punto E indica la corriente máxima que puede soportar el termistor sin deteriorarse. La curva representada en la figura depende de la temperatura ambiente. Si aumenta ésta, la curva se desplaza hacia abajo.
Característica tensión-corriente de un termistor
En régimen transitorio se tiene que la potencia disipada viene dada por:
donde δ (mW/K) es la constante de disipación térmica del termistor, cp (mJ/K) es su
capacidad calorífica y Ta es la temperatura ambiente. Cuando el incremento de
temperatura se estabiliza, es decir, llegamos al régimen estacionario, el segundo término de la expresión anterior se hace cero y se tiene que:
Haciendo uso de la expresión, llegamos a que la tensión en bornes del termistor
puede expresarse como:
Para la tensión máxima se cumple que dV2/dT = 0, que tiene lugar a una temperatura T
tal que:
y la temperatura correspondiente a dicho máximo es la que resulta tomando el signo
menos, y se observa que ésta depende únicamente de la temperatura ambiente y del
parámetro B del termistor, no de su resistencia. Se tiene, por tanto, que en la zona de autocalentamiento el termistor es muy sensible a cualquier efecto que altere la
disipación de calor. Por esta razón, los termistores pueden utilizarse de este modo para medir caudales, niveles, etc. Uno de los inconvenientes de las NTC es que no tienen un comportamiento lineal que puede ser necesario en algunas aplicaciones. Una manera de “linealizar” una NTC es colocándole un resistor en paralelo y considerar a todo el conjunto como un único elemento. En ese caso se tendrá que la resistencia de dicha combinación en paralelo viene dada por:
Tal como se observa en la última expresión correspondiente al coeficiente de temperatura equivalente, dicha configuración da lugar a una pérdida de sensibilidad. Sin embargo, el comportamiento sigue siendo no lineal, aunque su variación con la
temperatura es menor. En la figura puede apreciarse más claramente el cambio de
comportamiento al añadir una resistencia en paralelo al termistor.
1.5. Magnetorresistencias (Variable magnéticas)
Son sensores basados en materiales ferromagnéticos. Cuando son sometidos a un campo magnético se produce un aumento de la resistencia eléctrica. El campo magnético altera la trayectoria de los electrones aumentando la resistividad.
La relación entre el cambio de resistencia y el campo magnético aplicado es cuadrática, pero es posible linelizarla aplicando técnicas de polarización.
La relación entre el cambio de resistencia y el campo magnético aplicado es cuadrática, pero es posible linelizarla aplicando técnicas de polarización.
1.6. Fotorresistencias (Variables ópticas)
Las fotorresistencias (LDR, Light Dependent Resistor)
se basan en la variación de la resistencia eléctrica de un semiconductor al incidir sobre él una radiación. La radiación de una determinada energía provoca que los electrones salten de la banda de valencia a la de conducción en el semiconductor, aumentando la conductividad del mismo. Este efecto es más importante cuando se incrementa la temperatura del material, ya que la energía de los electrones aumenta y con ello la probabilidad de que se produzcan saltos de una banda a otra.
se basan en la variación de la resistencia eléctrica de un semiconductor al incidir sobre él una radiación. La radiación de una determinada energía provoca que los electrones salten de la banda de valencia a la de conducción en el semiconductor, aumentando la conductividad del mismo. Este efecto es más importante cuando se incrementa la temperatura del material, ya que la energía de los electrones aumenta y con ello la probabilidad de que se produzcan saltos de una banda a otra.
1.7. Higrómetros resistivos (Variables químicas)
Un higrómetro resistivo es un elemento cuya resistencia cambia con cambios en la humedad relativa del aire en contacto con el elemento. Los higrómetros resistivos generalmente están formados por dos electrodos de metal laminado sobre una forma plástica. Los electrodos no deben tocarse entre si, y están aislados uno del otro por medio de la forma plástica. Una solución de cloruro de litio es entonces utilizada para recubrir completamente el dispositivo.
A medida que la humedad del aire circundante crece, la película de cloruro de litio absorbe más vapor de agua del aire. Esto hace que su resistencia disminuya marcadamente. Dado que la película de cloruro de litio está en contacto estrecho con los dos electrodos de metal, también decrece marcadamente a resistencia entre los terminales de los electrodos. La resistencia entre terminales puede entonces relacionarse a la humedad relativa.
Una curva característica típica de resistencia versus humedad relativa para un higrómetro resistivo se muestra en la figura 3.21 (b). Los transductores de higrómetro resistivo no pueden utilizarse en todo el rango de humedades relativas, del 0% a 100%. La mayoría de ellos tienen un limite de operación segura del orden del 90% de HR. Una exposición al aire con una humedad relativa mayoral 90% puede resultar en un exceso de absorción de agua por la película de cloruro de litio, una vez que suceda esto, las características de resistencia de higrómetro son alteradas en forma permanente.
A medida que la humedad del aire circundante crece, la película de cloruro de litio absorbe más vapor de agua del aire. Esto hace que su resistencia disminuya marcadamente. Dado que la película de cloruro de litio está en contacto estrecho con los dos electrodos de metal, también decrece marcadamente a resistencia entre los terminales de los electrodos. La resistencia entre terminales puede entonces relacionarse a la humedad relativa.
Una curva característica típica de resistencia versus humedad relativa para un higrómetro resistivo se muestra en la figura 3.21 (b). Los transductores de higrómetro resistivo no pueden utilizarse en todo el rango de humedades relativas, del 0% a 100%. La mayoría de ellos tienen un limite de operación segura del orden del 90% de HR. Una exposición al aire con una humedad relativa mayoral 90% puede resultar en un exceso de absorción de agua por la película de cloruro de litio, una vez que suceda esto, las características de resistencia de higrómetro son alteradas en forma permanente.
Suscribirse a:
Entradas (Atom)