lunes, 28 de julio de 2008

SENSORES GENERADORES

DEFINICIÓN DE SENSORES GENERADORES

Se consideran sensores Generadores aquellos que generan una señal eléctrica a partir de la magnitud que miden, sin necesidad de una alimentación eléctrica.

Esto es una alternativa para medir muchas de las magnitudes ordinarias como por ejemplo: temperatura, fuerza, presión, y otras magnitudes afines.

En algunos casos: Transductor de Efecto Reversible

En esta parte se toma en cuenta las fuentes de Interferencia cuyos efectos pueden producirse inadvertidamente en los circuitos. Ejemplos:

• Ruidos (Mecánicos, Magnéticos, Eléctricos, Térmicos, Electrónicos).

• Fuerzas Electromotrices.

• Vibraciones.

• Presencia de Dieléctricos o Potenciales galvánicos.

TERMOCUPLAS O TERMOPARES

El funcionamiento de una termocupla se basa en el principio físico de la unión de dos alambres de metales diferentes que produce una diferencia de potencial en los dos extremos que no se encuentran en contacto que es función de la temperatura a la cual se encuentra la unión. Esteefecto Seebeck, en memoria a Thomas principio se llama

Seebeck quien lo descubrió en 1821. El voltaje producido en la unión es no lineal con respecto a la temperatura, bastante pequeño (del orden de los milivoltios).

Varios tipos de termocuplas existen. Ellas se identifican mediante letras mayúsculas que indican su composición de acuerdo a las convenciones establecidas por el American National Standards Institute (ANSI). Por ejemplo una termocupla tipo J está hecha de la unión de cobre-constantan.

Una diferencia fundamental entre los sensores de temperatura conocidos y la termocupla es la necesidad que se tiene de una referencia para hacer mediciones absolutas con ella.

Veamos el siguiente ejemplo: en la figura 7.1 se muestra una termocupla de hierro - constantan que se encuentra conectada al instrumento de medición (tarjeta de adquisición de datos TAD) a través de alambres de cobre. En este circuito existen tres uniones diferentes: J1, J2 y J3. La unión J1 genera un voltaje proporcional a la temperatura que se está midiendo. Las uniones J2 y J3 tienen sus propios voltajes Seebeck.

El amplificador de instrumentación de la TAD va a medir el voltaje generado por todas estas uniones. Para determinar la temperatura de la unión J1, se necesita conocer los voltajes de las uniones J2 y J3 para restárcelos al total y poder conocer el voltaje de la unión J1. Esto es lo que se conoce como compensación de la unión fría.

Tradicionalmente la referencia ha sido 0°C, lo cual se logra manteniendo la unión de referencia bajo hielo a 0°C. Bajo estas condiciones, si la temperatura se

113 encuentra sobre 0°C, un milivoltaje positivo aparece a la salida del circuito abierto de la

termocupla; si es menor a 0°C el milivoltaje de salida es negativo, y cuando la referencia y la unión en la cual se mide la temperatura están a 0°C la salida de la termocupla es de 0 milivoltios. Aunque este método es bastante exacto, no es él más práctico. Una manera más práctica consiste en medir la temperatura de la unión de referencia, directamente con un sensor de temperatura, tal como un termistor o un sensor de circuito integrado IC. Este proceso de compensación de la unión fría puede simplificarse aprovechando algunas de las características de las termocuplas.

Figura 7.1. Termocupla Hierro – Constantan

De acuerdo a la Ley de los Metales Intermedios el circuito de la figura 7.2 es similar al circuito anterior de la figura 7.1. En el circuito de la figura 7.2 un trozo de alambre de constantan se ha insertado antes de la unión J3 dando origen a una unión más

J4.

En el circuito de la figura 7.2 las uniones J2 y J4 son del mismo tipo (cobre – constantan); ya que ambas se encuentran a la misma temperatura y en direcciones contrarias se cancelan.

Figura 7.2. Termocupla con inserción de conductor extra en región isotérmica

Las uniones J1 y J3 son del mismo tipo, pero están en direcciones contrarias, por lo que sus voltajes tienen signos opuestos. La unión J3 se encuentra a la temperatura de referencia y J1 a la temperatura que se está midiendo. De lo anterior se desprende que el voltaje medido por la TAD va a ser igual al voltaje de la temperatura medida menos el voltaje de la temperatura de referencia o lo que es igual el voltaje de la temperatura medida es igual al voltaje medido por la TAD más el voltaje de la temperatura de referencia.

Utilizando la relación anterior y midiendo la temperatura de referencia con un sensor se obtiene el voltaje de la temperatura medida y de él ya sea por las tablas de termocuplas o por los polinomios del National Institute of Standards and Technology (NIST), la temperatura. En la Tabla 7.1 se muestran los coeficientes de los polinomios para los diferentes tipos de termocuplas.

La termocupla es uno de los sensores más populares para medir temperatura. A diferencia de los otros sensores de temperatura, ella no requiere de fuente de alimentación ya que es auto generadora de potencia; son económicas y fáciles de construir debido a que son básicamente la unión de dos alambres. Existe una variedad de ellas en el mercado en un amplio rango de temperaturas. Se identifican por letras siendo las más populares J, K y T.

Las termocuplas presentan algunos inconvenientes. Debido al bajo voltaje que generan y a su baja sensibilidad requieren de una instrumentación muy exacta, y de otro sensor para realizar la compensación de la unión fría. Por otro lado las termocuplas son menos estables que los otros sensores de temperatura.

Tabla 7.1. Coeficientes de Polinomios NIST

TIPOS DE TERMOPARES

En las uniones de termopar interesa tener:

• Resistividad elevada sin requerir mucha masa

• Coeficiente de temperatura débil en la resistividad;

• Resistencia a la oxidación a temperaturas altas.

• Linealidad lo mayor posible.

Para lograr estas propiedades se emplean aleaciones especiales:

• Níquel (90)/Cromo (IO) -Crome-;

• Cobre (57)1Niquel (43);

• Níquel (94)1 Aluminio (2)-Manganeso (3)-Silicio (I) -Alumel-

La protección frente al ambiente se logra mediante un encapsulado denominado Vaina que normalmente es acero inoxidable. La velocidad de respuesta y la robustez de la sonda vendrán afectadas por el espesor del encapsulado. En el cuadro siguiente se presentan las características de algunos de los termopares más comunes y su designación de acuerdo con las normas ANSI.

Las características completas en cuanto a tensión de salida se encuentran tabuladas de forma que se dan las tensiones correspondientes a distintas temperaturas y cuando la unión de referencia esta a 0,00°C. Esto no significa que la unión a 0,00°C de siempre una tensión de 0V para cualquier termopar. En el siguiente cuadro se muestra un fragmento de una tabla donde las tensiones o temperaturas intermedias se obtienen mediante interpolación lineal.

En un sistema automático se pueden emplear polinomios que aproximan las tablas con una exactitud dependiendo de su orden. Corresponden a expresiones del tipo:

T = ao + al X + a2 x2 +…………………

Donde X es la tensión obtenida.

Según la aplicación, se dispone de distintos tipos de uniones como las especificadas en la figura siguiente:

Uniones Desnudas (medidas estáticas, gases no corrosivos, donde se requiere un tiempo de respuesta rápido).

La juntura de medición esta expuesta. Los cables se aíslan mediante un tubo especial que puede ser de cerámica o por un recubrimiento fibroso.

Para utilizar este tipo de termopar, no debe ser afectado químicamente por la atmósfera donde será utilizado.

Se debe ser cuidadoso con la soldadura de los cables, para que este tercer metal no ocasione descalibración

Uniones Aisladas (medir en ambientes corrosivos donde interesen aislamientos eléctricos del termopar, este entonces queda encerrado por el encapsulado (Vaina) y aislado de esta por un buen conductor térmico como aceite o mercurio).

El circuito del termopar esta aislado de tierra.

Si el diámetro del encapsulado es muy pequeño, su fabricación es difícil.

Su velocidad de respuesta es menor que el de juntura conectada a tierra.

Los defectos en el aislamiento del termopar pueden determinarse midiendo

la resistencia entre el cable y el encapsulado.

Uniones con Aislantes Minerales (respuesta rápida y no hace falta un encapsulado grueso se emplean aislantes minerales como polvo de manganeso y oxido de aluminio.

Según el grado de compactación del aislante, la respuesta final puede ser lenta y la temperatura máxima soportada es también distinta. Mediante uniones puestas a masa se pueden medir temperaturas estáticas o de flujo de gases o líquidos corrosivos y como la unión esta soldada a ala vaina protectora la repuesta térmica es más rápida, pero si la masa es ruidosa no sirve y hay que aislar térmicamente el termopar. Los termopares aislados se aplican en medidas de alta presión.

EFECTO TERMOELECTRICO

Tipos:

a) Reversibles: Efecto Peltier.

Efecto Thompson.

b) Irreversibles: Efecto Joule.

Históricamente, fue Thomas J. Seebeck quien descubrió en 1822 que en un circuito de dos metales distintos A y B con dos uniones a diferentes temperaturas, aparece una corriente eléctrica.

Es decir hay una conversión de Energía Térmica a Energía Eléctrica o bien, si se abre el circuito, una fuerza (termo - electromotriz) que depende de los metales y de la diferencia de temperaturas entre las uniones. Al conjunto de estos dos metales distintos con una unión firme en un punto o una zona se le denomina Termopar

La relación entre la fuerza termo electromotriz (f.t.e.m.) denominada también EAB y la diferencia de temperatura entre las uniones (T), define el coeficiente de Seebeck (SAB).

S AB = (dE AB /dT) = SA – SB

Donde SA y SB son la denominada Potencia Termoeléctrica absoluta de A y B.

En general SAB no es una constante. Esta depende de la temperatura T y suele crecer al crecer T.

Es importante anotar que mientras la corriente que circula por el circuito depende de la resistencia de los conductores, en cambio la ftem no depende de la resistividad, ni de la sección, ni distribución o gradiente de temperatura. Depende solo de la diferencia de temperaturas entre las uniones y de la naturaleza de los metales. Esta fuerza electromotriz se debe a los efectos Peltier y Thompson.

EFECTO PELTIER

Consiste en el calentamiento o enfriamiento de una unión entre dos metales distintos al pasar corriente por ella. Al invertir el sentido de la corriente se invierte también el sentido del flujo de calor. Es decir si antes una unión se calentaba (cedía calor), al cambiar el sentido de la corriente se enfría (absorbe calor), es decir, si primero se enfriaba ahora se calienta o viceversa.

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.

La dependencia es lineal y viene descrita por el coeficiente de Peltier πAB que se define como el calor generado en la unión entre A y B por unidad de corriente que circula de B a A para una unión a temperatura T, y esta definido por:

π AB = T (S B - S A) = - π BA

El hecho de que el calor intercambiado por unidad de superficie de la unión sea proporcional a la corriente y no a su cuadrado, marca la diferencia respecto al efecto Joule. En este el calentamiento depende del cuadrado de la corriente y no cambia al hacerlo su dirección.

El efecto Peltier, es también 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 ello puede ser una fuente de errores.

EFECTO THOMPSON

Consiste en la absorción o liberación de calor por parte de un conductor homogéneo con temperatura No homogénea por el que circule corriente.

El calor liberado es proporcional a la corriente - no a su cuadrado- y por ello cambia el signo al hacerlo el sentido de la corriente. Se absorbe calor al fluir corriente del punto frío al más caliente y se libera cuando fluye del más caliente al más frío. En otras palabras, se absorbe calor si la corriente y el calor fluyen en direcciones opuestas y se libera calor si fluyen en la misma dirección.

A pesar de todas las limitaciones, los termopares son sin duda alguna los transductores de uso más frecuente para medir temperatura:

Ventajas:

• Gran Alcance: -270°C a 3000°C.

• Gran Estabilidad. .Alat fiabilidad.

• Mayor exactitud que un RTD.

• Pequeño y mediano tamaño.

• .Velocidad de respuesta rápida (ms).

• Robustos.

• Simples.

• Flexibilidad de Utilización.

• Bajo costo.

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.

En la Figura anterior las temperaturas T3 y T 4 no cambian la energía termo electromotriz (ftem) debida a T1 y T2 en particular, si T1 es igual a T2 y se calientan A ó B no fluye corriente alguna.

Es decir en otras palabras las temperaturas intermedias a las que puede estar sometido cada conductor no altera la ftem. Tampoco ocurre esto debido a una determinada diferencia de temperaturas entre las uniones Sin embargo, esto no significa que si hay distintas temperaturas a lo largo de un circuito se tengan que emplear necesariamente hilos de extensión largos iguales a los del termopar. Para esto se emplean los denominados cables de compensación, los cuales son de metales que, siendo más económicos que los de termopares utilizados frecuentemente en la industria no presentan ftem. significativas

- Ley de los Metales Intermedios

La suma algebraica de las ftem en un circuito compuesto de un número 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 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 ftem. 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.

Si dos metales homogéneos producen un ftem. E1 cuando las uniones están a T1 y T2 y una ftem.

E2, cuando las uniones están a T2 y T3, la ftem. cuando las uniones estén a T1 y T3 será (E1 + E2).

Esto significa, por ejemplo, que la unión de referencia no tiene porque estar a ooc si no que puede usarse otra temperatura de referencia.

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

EFECTO DE LA TEMPERATURA AMBIENTE EN LA UNIÓN DE REFERENCIA DE LOS TERMOPARES.

Compensación de la unión de referencia en circuitos de 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.

SENSORES PIEZOELÉCTRICOS

Efecto piezoeléctrico.

Efecto piezoeléctrico, fenómeno físico por el cual aparece una diferencia de potencial eléctrico entre las caras de un cristal cuando éste se somete a una presión mecánica. El efecto funciona también a la inversa: cuando se aplica un campo eléctrico a ciertas caras de una formación cristalina, ésta experimenta distorsiones mecánicas. Pierre Curie y su hermano Jacques descubrieron este fenómeno en el cuarzo y la sal de Rochelle en 1880 y lo denominaron 'efecto piezoeléctrico' (del griego piezein, 'presionar').

El efecto piezoeléctrico se produce en varias sustancias cristalinas como el bario, el titanio o la turmalina. El efecto se explica por el desplazamiento de iones en cristales que tienen una celda unitaria asimétrica (la celda unitaria es el poliedro más simple que compone la estructura de un cristal). Cuando se comprime el cristal, los iones de las celdas se desplazan, provocando la polarización eléctrica de la misma. Debido a la regularidad de la estructura cristalina, estos efectos se acumulan, produciendo una diferencia de potencial eléctrico entre determinadas caras del cristal. Cuando se aplica al cristal un campo eléctrico externo, los iones de cada celda son desplazados por las fuerzas electrostáticas, produciendo una deformación mecánica. Dada su capacidad de convertir la deformación mecánica en voltaje eléctrico y un voltaje eléctrico en movimiento mecánico, los cristales piezoeléctricos se utilizan en dispositivos como los transductores, que se emplean en la reproducción de discos, y en los micrófonos. Los cristales piezoeléctricos también se usan como resonadores en osciladores electrónicos y amplificadores de alta frecuencia ya que, si se tallan estos cristales de una determinada manera, la frecuencia de resonancia es estable y bien definida.

Materiales

* Naturales más comunes: El cuarzo y la turmalina.

* Sintéticos: ceraminas.

Aplicaciones.

5.5.2.1.1 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

O Algunos materiales piezoeléctricos son delicuescentes.

Ventajas:

*Alta sensibilidad y bajo coste.

* Alta rigidez mecánica (deformaciones experimentadas <>

* La figura siguiente muestra algunos montajes de aplicación del efecto piezoeléctrico a baja frecuencia.

APLICACIONES INDUSTRIALES DE LOS TERMOPARES

Los termopares actualmente tienen grandes e importantes aplicaciones industriales ya que casi todos lo procesos en la industria requieren un estricto control de la temperatura y el uso de termopares ayda a la automatizacion del control de la temperatura ya que se pueden implementar programas que ejecuten acciones especificas dependiendo de la temperatura que se tenga en un momento dado del proceso industrial.pero el asunto radica en distinguir como va a efectuarse el contacto de el termopar con la variable a medir es decir ciertos procesos industriales generan reacciones quimicas radioactivas o execivamente calorificas o en ocaciones peligrosas para los humanos en estas circunstancias el control debe ser a distancia y se deben de implementar extensiones que requieren un cuidado execivo por otro lado al termopar se le debe de poner una vaina de proteccion que lo protega pero que al mismo tiempo no perjudique la lectura de el mismo

Entonces en esta pagina expondre brevemente los tipos de vainas de proteccion que se usan y en que situaciones industriales se deben de usar y tambien las extensiones que se pueden conectar a los termopares y como conectarlas.

Primero hablaremos de las extensiones , los cables de extension son conductores con propiedades electricas similares a las de los termopares hasta ciertos limites de temperatura y son mas economicos . se suelen utilizar los siguientes :

Conductores tipo J para termopares tipo J

Conductores tipo K o tipo T par termopares tipo K

Conductores tipo T para termopares tipo T

Conductores tipo E para termopares tipo tipo E

Conductores cobre-cobre niquel para termopares tipo R, So B

Las conexiones entre el cable de compesacion, el termopar y el instrumento deben ser perfectas, sin empalmes en el cable de compesacion, utilizando el hilo correcto y el conjunto de la insatalacion debe evitar el paso proximo por fuentes de calor(aparece el efecto thompson) si estas recomendaciones no se cumplen aparecen tensiones termicas de corriente continua que dan lugar a un desplazamiento en la calibracion de el instrumento .

El termopar es suceptible al ruido electrico industrial debido a que durante su funcionamiento puede generar tensiones de 2 a 50 mV y se encuentra en un entorno donde las grandes maquinas electricas pueden crear cientos de milivoltios en el cable de conexión . por otro lado el termopar trabajando como una antena puede recoger radiacion electromagnetica de radio televison y microondas . de aquí que se requiera que los cables de conexión esten torcidos y dentro de una funda metalica que se pone a tierra , que la union de medida este puesta a tierra y que el amplificador tenga una buena relacion señal/ruido

En lo referente a la vainas de proteccion depende de el proceso industrial es el tipo de vaina que se va a usar por ejemplo en el proceso de fabricacion de el cemento en la salida de los altos hornos se usa una vaina de iconel o hierro o tambien pirometros de radiacion (un pirometro es un dispositivo que centra el calor en un solo punto par afacilitar la lectura de la temperatura).otros ejemplos que mencionar es en el proceso de fabricacion de la ceramica en los hornos se utilizan protecciones ceramicos o pirometros de radiacion en el proceso de esmaltacion y vitreo se usan vainas de iconel o hierro.en el proceso de fabricacion de alimentos se acero inoxidable como vaina y en los procesos petroquimicos casi en todos los procesos se usa acero inoxidable. Y en procesos de fabricacion que exedan los 1000ºc aveces se usa carburo de silicio.