1. Codificadores de posición: incrementales y absolutos.

Los codificadores de posición son sensores digitales y pueden ser incrementales o absolutos.

Codificador de posición incremental:

Un sensor de este tipo consiste en una regla lineal o en un disco, el cual es movido por la parte cuya posición o velocidad va a ser determinada. Este elemento incluye dos tipos de regiones o sectores. Los sectores son ordenados de una manera alternada y equidistante; si esta propiedad cambiante es sensada por un dispositivo de lectura se obtiene un cambio de salida ante un incremento en posición.

Codificador de posición incremental

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.

Codificador de posición absoluto.

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.

2.1. Construcción de sensores autorresonantes

2.2. Sistemas de acondicionamiento

3. Métodos de detección.

a. Basado en uniones semiconduct5oras.

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.

• 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.

• 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. En el 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. Basados 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 OpticaExisten 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.

SENSORES GENERADORES

Definición.

Son aquellos sensores que generan 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 accionadores o aplicaciones inversas en general. Es decir, se pueden emplear para la generación de acciones no eléctricas a partir de señales eléctricas.

Algunos de los efectos que pueden producirse inadvertidamente en los circuitos, y ser así fuentes de interferencia, es el caso de los termo electromotrices, de las vibraciones en cables con determinados dieléctricos o de potenciales galvánicos en soldaduras o contactos.

Algunos de los formatos de sensores generadores se presentan acontinuación:

Estsndar sin bloque isotérmico.

Estandar con bloque isotérmico (rápida desconexión).

Con cabezal industrial (A1).

Sonda de mano.

Medidas en superficies (telas, papel, etc).

Adaptado a superficies

Que es efecto reversible.

Que es efecto irreversible.

Que es 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.

La conversión de energía por efecto termoeléctrico (en el sentido calor → electricidad o electricidad → calor) se basa a su vez en los efectos Seebeck, Peltier y Thomson.

Coeficiente Seebeck
Una diferencia de temperatura dT entre las uniones de dos materiales distintos a y b implica una diferencia de potencial eléctrico dV según la ecuación:

El coeficiente Seebeck, también llamado "Poder Termoeléctrico" se mide en V.K-1 (o más frecuentemente en µV.K-1 dado los valores de este coeficiente en los materiales más usuales).
Los coeficientes Seebeck de ambos materiales por separado se relacionan con el coeficiente Seebeck del par según:

Coeficiente Peltier
En el caso del efecto Peltier, una corriente eléctrica I recorre un circuito formado por los dos materiales, lo que conlleva una liberación de calor Q en uno de los materiales y una absorción en el otro, según la ecuación:

Coeficiente Thomson
Al contrario que los coeficientes Seebeck y Peltier, el coeficiente Thomson puede definirse directamente para un único material. Cuando existen simultáneamente un gradiente de temperatura y una corriente eléctrica hay una generación o absorción de calor en cada segmento del material considerado individualmente. El gradiente del flujo térmico en el seno del material viene dado por:

donde x es la cordenada espacial y τ es el coeficiente Thomson del material.

El Efecto Peltier

Este efecto realiza la acción inversa al efecto Seebeck. Consiste en la creación de una diferencia térmica a partir de una diferencia de potencial eléctrico. Ocurre cuando una corriente pasa a través de dos metales diferentes o semiconductores (tipo-n y tipo-p) que están conectados entre sí en dos soldaduras (uniones Peltier). La corriente produce una transferencia de calor desde una unión hasta la otra. Una unión se enfría mientras que la otra se calienta. El efecto es utilizado para refrigeración termoeléctrica.

Diagrama esquemático del Efecto de Peltier.

Cuando se hace circular una corriente I a través del circuito, se desprende calor de la unión superior (T2) y es absorbido por la unión inferior (T1). El calor de Peltier absorbido por la unión inferior por unidad de tiempo, es igual a:
Donde Π es el coeficiente de Peltier ΠAB de la termopareja completa, y ΠA y ΠB son los coeficientes de cada material. El silicio tipo-p tiene un coeficiente Peltier positivo a temperaturas inferiores a 550 K, y el silicio tipo-n tiene un coeficiente Peltier negativo.

Los conductores intentan volver al equilibrio electrónico que existía antes de aplicar la corriente. Para ello absorben la energía de un foco y la desprenden en el otro. Las parejas individuales pueden ser conectadas en serie para incrementar el efecto.

La dirección de la transferencia de calor es controlada por la polaridad de la corriente. Al invertir la polaridad se cambia la dirección de la transferencia y, como consecuencia, la unión donde se desprendía calor lo absorberá y donde se absorbía el calor lo desprenderá.

Este efecto es reversible e independiente del contacto, es decir, de la forma y dimensiones de los conductores. Depende solo de su composición y de la temperatura de la unión. Esta dependencia resultar ser lineal y viene descripta por el coeficiente de Peltier.

El efecto de Peltier es tambien independiente del origen de la corriente, que puede ser, incluso de origen termoeléctrico, en este caso las uniones alcanzan una temperatura distinta a la del ambiente y por ello puede ser una fuente de errores.

El Efecto Thompson

El efecto Thompson implica la aparición de un flujo de calor al circular una corriente a través de un gradiente de temperatura en un material. Supongamos un conductor por el cual circula una corriente de calor, más no una corriente eléctrica. Esto induce la aparición de una distribución de temperaturas en el material, gobernada por los coeficientes cinéticos. Supongamos ahora que cada punto del material es conectado a un baño térmico de igual temperatura.

La igualdad de temperaturas entre el material en cada punto y el baño correspondiente implica que no habrá intercambio de calor entre éstos y el material. Si ahora se inyecta una corriente eléctrica, ocurrirá un intercambio de energía entre el material y los reservorios.

En otras palabras, consiste en la absorción o liberación de calor por parte de un conductor homogeneo con temperatura no homogenea cuando por el circule una corriente. Ver figura.

Efecto Thompson: Al circular una corriente por un conductor homogeneo con temperatura no homogenea, se absorbe o libera calor.

El calor liberado es proporcional a la corriente, no a su cuadrado, y, por ello cambia de signo al hacerlo el sentido de la corriente. Se absorbe calor al fluir corriente del punto mas frío al mas caliente, y se libera cuando fluye del mas caliente al mas frío. Es decir, se absobe calor si la corriente y el calor fluyen en sentidos opuestos, y se libera calor si fluyen en el mismo sentido. ver figura.

Efecto Thompson: aqui se absorbe calor, debido a que la corriente y el calor fluyen en direcciones opuestas.

Con una temperatura T

El Efecto Seebeck

El efecto Seebeck, descubierto por el físico alemán Thomas Johann Seebeck (1770 – 1831), se refiere a la emisión de electricidad en un circuito eléctrico compuesto por conductores diferentes, mientras estos tienen diferentes temperaturas. Los conductores se conectan en serie. La diferencia de temperatura causa un flujo de electrones en los conductores, se dice que el flujo inicia directamente desde el área de mayor temperatura hacia la de menor temperatura.

En el punto de contacto de los conductores se presenta una diferencia de potencial.

En otras palabras, en un circuito de dos materiales distintos homogéneos, metal A y B, con dos uniones a temperaturas diferentes, aparece una corriente eléctrica. Es decir hay una conversión de energía térmica a energía eléctrica, o bien, si se abre el circuito, una fuerza termoelectromotriz (f.t.e.m) que depende de los metales y de la diferencias de temperatura de las dos uniones. Al conjunto de estos dos metales distintos con una unión firme en un punto o una zona se le denomina termopar.

En la siguiente figura, se da a conocer el efecto antes mencionado.

El producto que más utiliza este fenómeno son los denominados “termopares” que sirven como sensores de temperatura, también las llamadas termopilas que son un arreglo de varios termopares en serie para medir temperatura básicamente.

Tipos de Termopares .

En las uniones de termopar interesa: resistividad elevada para tener una resistencia alta sin requerir mucha masa, lo cual implicaría alta capacidad calorífica y respuesta lenta; coeficiente de temperatura débil en la resistividad; resistencia a la oxidación a temperaturas altas, pues debe tolerar la atmósfera donde van a estar, y linealidad lo mayor posible.

Para lograr estas propiedades se emplean aleaciones especiales:
Níquel (90)/Cromo(1O) -Cromel-; Cobre(57)/Niquel(43); Níquel(94 )/Aluminio(2 )/Manganeso(3 )/S ilicio( 1) -alumel-; etc.

La protección frente al ambiente se logra mediante un encapsulado denominado Vaina que normalmente es acero inoxidable, tal como se indica en la siguiente figura.

La velocidad de respuesta y la robustez de la sonda vendrán afectadas por el espesor del encapsulado. El silicio y el germanio presentan también propiedades termoeléctricas, pero hasta ahora han encontrado aplicación como refrigeradores (elementos Peltier) que como termopares de medida.

En el cuadro siguiente se presentan las características de algunos de los termopares más comunes y su designación de acuerdo con las normas ANSI. Para medir la temperatura de superficies, hay modelos fabricados con tecnología de capa fina.

Estos termopares son de tipo estándar y tiene los siguientes códigos de colores de acuerdo al tipo descrito anteriormente en la tabla, para su fácil conexión a los instrumentos o dispositivos de medición de temperatura.

Para seleccionar el tipo adecuado de termopar a usar en la aplicación es necesario observar los siguientes puntos básicos:

1. Rango de temperatura a medir.
2. Tolerancia y cantidad de error que permite la aplicación
3. ¿Es posible que el termopar toque al objeto sin que este sea invasivo y altere al objeto?
4. ¿Qué tipo de contacto fisco se requiere para sensar la temperatura?

Construcción de Termopares.

• 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, como se muestra en la siguiente figura.

• Los requerimientos más importantes que deben cumplir los materiales de termopares 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.

Según su aplicación, se dispone de distintos tipos de uniones, como las indicadas en la siguiente figura.

a) Unión soldada en extremo.
b) Unión soldada en paralelo.
c) Hilo trenzado.
d) Termopar expuesto: respuesta rápida.
e) Termopar encapsulado: aislamiento eléctrico y ambiental.
f) Termopar unido a la cubierta: aislamiento ambiental.

Las uniones desnudas se emplean para medidas estáticas, pero son frágiles, o de flujos de gases no corrosivos donde se requiere un tiempo de respuesta rápido.
Las uniones aisladas se emplean para medir en ambientes corrosivos donde además interese aislamiento eléctrico del termopar. Este queda entonces encerrado por la vaina y aislado de ésta por un buen conductor térmico como el aceite, mercurio o polvo metálico. Según el grado de compactación del aislante, la respuesta final es más o menos lenta y la temperatura máxima soportada es también distinta.
Los termopares aislados también se aplican en medida a alta presión.
Mediante uniones puestas a masa, se pueden medir temperaturas estáticas o de flujos de gases o líquidos corrosivos y como la unión está soldada a la vaina protectora, la respuesta térmica es más rápida. Pero si la masa es ruidosa, no sirve y hay que aislar térmicamente el termopar. Además la mayor masa del sensor implica un mayor error por conducción térmica.

Normas de aplicación practica por los Termopares

Para el análisis de circuitos con termopares, se aplican las siguientes leyes experimentales.

· 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. Este caso se ilustra en la siguiente figura.

Ahora, observando la siguiente figura, la temperatura T3 y T4 no cambia la fuerza termoelectromotriz debido a T1 y T2. En particular, si T1=T2 y se calientan A o B no fluye corriente alguna. Es decir, las temperaturas intermedias a que pueda estar sometido cada conductor no alteran la fuerza termomotriz debida a una dterminada diferencia de temperatura entre las uniones.

·Ley de los metales Intermedios
Esta ley establece que si un tercer metal (en este caso, hierro) se encuentra insertado entre dos metales distintos formando dos uniones termopar, no contribuirá a la tensión de salida del circuito termoeléctrico formado si estas dos uniones se encuentran a la misma temperatura. Ver figura.

De acuerdo con esta ley, el cable inferior de la figura, queda reducido a una unión cobre-constantán a la temperatura Tref. Con este resultado ha sido posible eliminar el cable de hierro quedando el circuito total representado en la siguiente figura .

En esta situación se sigue teniendo la relación:

V=α ( T j1 − T ref )

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 estas 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 f.t.e.m detectada con un par determinado. Basta con conocer su comportamiento con un tercero. Se ha convenido en tomar el Platino como referencia.

· Ley de las temperaturas sucesivas o intermedias
Dos metales homogéneos diferentes producen una tensión V12, cuando sus uniones están a T1 y T2, ver figura.

Ahora hay una tensión V23 cuando están a temperaturas T2 y T3, ver figura.

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.

Esto significa, por ejemplo, que la unión de referencia no tiene que estar a 0 ºC sino que puede usarse otra temperatura diferente.

Aplicando las leyes anteriores se pueden analizar fácilmente circuitos como se muestran en la siguiente figura.

(a)Conexión de termopares en series (termopilas) (b)Conexión en paralelo.

En el caso (a) se trata de la conexión serie de varios termopares, constituyendo una termopila, por lo que aumenta la sensibilidad respecto al caso de un solo termopar. En el caso (b) la conexión es un paralelo, y se detecta la temperatura media si todos los termopares son lineales en el margen de medida y tienen la misma resistencia

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

La necesidad de mantener una de las uniones de un termopar a una temperatura de referencia fija, ésto es con el objeto de medir la temperatura de la otra unión, pero todo cambio en dicha unión de referencia provocará un error en la medida, convirtiéndose la unión de referencia en una fuente de error. Repercute en ello que la tensión de salida es muy pequeña, por tanto la sensibilidad típica es de 6 a 75 V/ºC. Si además la temperatura de referencia no es muy próxima a la de la medida, resultará que la señal ofrecida tendrá un nivel constante alto en el que los cambios de temperatura de interés puede que provoquen sólo pequeñas variaciones de tensión.

Compensación de la unión de referencia en circuitos de termopares.

Para aplicar el efecto Seebeck a la medida de temperatura, es necesario mantener a una de las uniones a una temperatura de referencia. Una solución consiste en disponer la unión de referencia en hielo fundente tal como se indica en la figura.

Medida de temperatura mediante termopares con una unión mediante temperatura de referencia constante.

Medida de temperatura con dos uniones a temperatura constante, basada en hilos de conexión de metales comunes.

La solución de ésta figura permite emplear un hilo de conexión mas económico (cobre), si bien sigue siendo una solución cara por la necesidad de mantener una temperatura de referencia constante.

Si el margen de variación de la temperatura ambiente es menor que la resolución deseada, puede dejarse la unión de referencia simplemente al aire. En caso, contrario se emplea la denominada compensación electrónica de la unión de referencia, ver figura.

Esta figura, consiste en dejar que la unión de referencia sufra las variaciones de la temperatura ambiente, pero éstas se detectan con otro sensor de temperatura, dispuesto en la vecindad de la unión de referencia, y se suma una tensión igual a la generada en la unión fría.

La tensión de alimentación del puente debe ser estable y puede ser, por ejemplo, la de una pila de mercurio o la de un generador electrónico de una tensión de referencia estable.

Hay circuitos integrados que miden la temperatura ambiente y ofrecen una tensión de compensación para distintos termopares. El LT1025 se puede aplicar a termopares E, J, D, R, S y T. Los AD594 y AD595 integran, además de la compensación (para termopares J y K, respectivamente), un amplificador de instrumentación.

Explicación de la tabla estandar de termopares.

La tensión de salida correspondiente a distintas temperaturas cuando la unión de referencia está a 0,00 ºC está tabulada, esto significa que la unión a 0,00 ºC de siempre una tensión de 0V para cualquier termopar. Es solo cuestión de conveniencia debido que al medir la tensión que da una unión es inevitable introducir otra, y por tanto, es mejor hablar de diferencia de tensiones entre uniones a diferentes temperaturas que de tensión debida a una unión.

Para normalizar se ha elegido como temperatura de referencia para las tablas la de 0,00 ºC , en el siguiente cuadro se recoge un fragmento de una tabla de este tipo.

Fragmento de la tabla de tensiones vs. temperatura para un termopar tipo J entre 0 y 40 ºC. las tensiones están dadas en milivoltios.

Las tensiones o temperaturas intermedias se obtienen mediante interpolación lineal. Por ejemplo, en un termopar tipo J con una unión a 0 ºC se obtiene una tensión de 2 mV , ¿Cuál es la temperatura de la otra unión?, según la tabla:
A 38 ºC corresponden 1,954 ºC y a 39 ºC corresponden 2,006 mV.
Entonces la sensibilidad en esta zona es 52 V/ºC y por tanto la otra unión está a unos 38,88 ºC.

Sensores piezoeléctricos

Consiste en la aparición de una polarización eléctrica en un material al deformarse bajo la acción de un esfuerzo.

Es un efecto reversible.

Todos los materiales ferroeléctricos son piezoeléctricos. La propiedad piezoeléctrica está relacionada con la estructura cristalina.

Parámetros empleados para las ecuaciones piezoeléctricas y circuito equivalente cuando se mide tensión generada.

Materiales:

• Naturales más comunes: El cuarzo y la turmalina.
• Sintéticos: cerámicas.
  
  

Efectos de un esfuerzo mecánico en diferentes moléculas según su simetría.
a) si hay simetría central no se produce polarización.
b) Polarización paralela al esfuerzo.
c) Polarización perpendicular al esfuerzo.

Aplicaciones.
Detección de magnitudes mecánicas Limitaciones:

• No poseen respuesta en c.c.
• Deben trabajar por debajo de la frecuencia de resonancia del material.
• Los coeficientes piezoeléctricos son sensibles a la temperatura.(Cuarzo hasta 260ºC y la turmalita 700ºC).
• La impedancia de salida de los materiales piezoeléctricos es muy baja.
• Algunos materiales piezeléctricos son delicuescentes.
  

Ventajas:

• Alta sensibilidad y bajo coste.
• Alta rigidez mecánica (deformaciones experimentadas <>
• La siguiente figura muestra algunos montajes de aplicación del efecto piezoeléctrico a baja frecuencia.

Diversos modos de aplicar el efecto piezoeléctrico a baja frecuencia. En cada caso hay una magnitud nula. En el caso a) es el esfuerzo. En e l caso b) es el campo eléctrico. En el caso c) la deformación y en el caso d) la densidad de carga.

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 investigación de la piroelectricidad 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.

Principio de funcionamiento de un sensor piroeléctrico.

Si la variación de temperatura DT, es uniforme en todo el material, el efecto piroeléctrico se describe mediante el coeficiente piroeléctrico, p, que es un vector de la forma.

Donde es la polarización instantánea.

Donde
DQ : Carga Inducida.

DT : es el incremento de temperatura experimentado por el sensor.

p: Grosor del detector

Y la tensión obtenida en el sensor es igual a:

Sensores fotoeléctricos

SENSORES MODULADORES

Son aquellos que varían un parámetro eléctrico en función de la variable a medir. La variable puede ser presión, temperatura, caudal, etc., y el parámetro eléctrico puede ser resistencia, inductancia, capacitancia o campo magnético o eléctrico.

La clasificación general de esto sensores se hace en Sensores resistivos y Sensores de reactancia variable.

1. Sensores 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:

1.1. Potenciómetros (Variables mecánicas)

El potenciómetro es un sensor utilizado para medir la variable mecánica desplazamiento, y consiste de un dispositivo con dos partes y tres terminales.
Una de las partes es una resistencia fija descubierta la cual puede ser de carbón o de hilo arrollado.
La otra parte es un contacto móvil que se desplaza por la resistencia fija.
En Teoría, para un conductor cualquiera, su resistencia viene dada por:

donde:
r = Resistividad del material (Wm)
A = Sección transversal
l = Longitud del conductor.

En la figura siguiente se muestra el modelo de un potenciómetro. Si se denomina x a la distancia recorrida por el cursos, la resistencia obtenida será:

El problema de este tipo de sensor es:
a. Varía con la temperatura.
b. Varía con la deformación de la sección transversal, causada por la presión o fuerzas ejercidas sobre el.
c. El contacto del cursor origina desgaste, modificando la sección transversal.

Pueden ser lineales, como la figura mostrada anteriormente, o no lineales como el siguiente:

En este último caso, la resistencia fija entre E y C está formada por una sección triangular variable de hilo arrollado. Este hilo tiene una sección A y diámetro D.
La ecuación de su resistencia es ahora:

El potenciómetro se utiliza para medir preferiblemente desplazamientos, conectando el objeto de medición a su cursor. Sin embargo, puede ser utilizado para medir otras variables de forma indirecta, cuando estas generen desplazamientos en otros dispositivos.
Por ejemplo:
a. Se puede utilizar para medir presión, si se conecta el cursor al extremo de un tubo Bourdon.
b. Para medir nivel en líquidos conductores o no conductores.
c. Para medir temperatura si se conecta al extremo de un medidor de bulbo y capilar.

En los casos a y c se utiliza para generar una señal eléctrica. Mientras que en el caso b es el elemento primario.