lunes, 28 de julio de 2008

Sensores digitales


Los codificadores de posición: Son aquellos que ofrecen directamente una señal digital a partir de una entrada analógica.

1. Codificadores de posición: incrementales y absolutos.

Codificadores Incrementales
Un codificador incremental de rotación está formado por un disco con ranuras radiales ubicadas por lo general muy juntas en toda su circunferencia, o sino con líneas alternadas en color claro y oscuro, que giran frente a un fotosensor (o un conjunto de éstos, para más precisión), generando un pulso por cada ranura o cambio de color.



Un ejemplo típico de este tipo de codificadores se puede ver dentro de los mouses (ratones) de computadora: pequeños discos con ranuras en cada eje de movimiento. Un circuito lleva la cuenta de los pulsos, con lo que se puede conocer tanto el ángulo que se ha avanzado como la velocidad de giro (midiendo el tiempo entre pulsos). Estos codificadores son baratos pero no ofrecen una posición absoluta (como el potenciómetro), ya que el disco es igual en toda su circunferencia y no hay manera de saber dónde está ubicado (en qué ángulo absoluto) el eje. Habitualmente, se debe proveer al sistema de una manera de ubicarse en una posición cero, y de ahí en adelante contar pulsos hacia adelante o hacia atrás.



Codificadores absolutos

Los codificadores absolutos ópticos funcionan con un concepto similar al de los tipos incrementales, sólo que poseen un disco con un dibujo complejo, distribuido en anillos concéntricos que representan los bits de una palabra binaria. Deben tener un detector óptico por cada uno de estos anillos. Por ejemplo un disco con 8 anillos (como el de la figura), tendrá una resolución de 8 bits, o sea que podrá dividir su circunferencia en 256 porciones (más de 1 grado, si hablamos de ángulo). Un disco con más anillos concéntricos ofrecerá más bits de resolución y dará un dato de posición angular más preciso.








Por razones de precisión óptica, la codificación se suele hacer en una codificación llamada código Gray, que luego se traduce en el código binario estándar que utiliza una computadora para sus cuentas.


Construcción del codificador absoluto


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.

2. Sensores autorresonantes: resonadores de cuarzo, caudalímetro de vórtice. 2.1.Construcción de sensores autorresonantes

Sensores Autorresonantes.

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.

2.2. Sistemas de acondicionamiento

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 circuitos 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.


3. Otros métodos de detección.

a. Basado en uniones semiconductoras. Construcción y circuitos de acondicionamiento.











sábado, 26 de julio de 2008

b. Basados en ultrasonidos. Construcción y circuito de acondicionamiento

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. Algunos 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. Basado en fibras ópticas. Construcción y circuito de acondicionamiento.

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.

De La Fibra Óptica Ventajas.

Capacidad de transmisión: La idea de que la velocidad de transmisión depende principalmente del medio utilizado, se conservo hasta el advenimiento de las fibras ópticas, ya que ellas pueden transmitir a velocidades mucho más altas de lo que los emisores y transmisores actuales lo permiten, por lo tanto, son estos dos elementos los que limitan la velocidad de transmisión.

- Mayor capacidad debido al ancho de banda mayor disponible en frecuencias ópticas.
- Inmunidad a transmisiones cruzadas entre cables, causadas por inducción magnética.
-Inmunidad a interferencia estática debida a las fuentes de ruido. Resistencia a extremos ambientales.
-Son menos afectadas por líquidos corrosivos, gases y variaciones de temperatura.-La seguridad en cuanto a instalación y mantenimiento. Las fibras de vidrio y los plásticos no son conductores de electricidad, se pueden usar cerca de líquidos y gases volátiles.

Parámetros de una Fibra Óptica:
Existen 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.

Entre los parámetros estructurales se encuentra:

*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 se tiene:

*Atenuación.
*Ancho de banda.

domingo, 6 de julio de 2008

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 ⇔ 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.

Caracteristicas de sensores generadores:

- No requieren alimentación auxiliar.

- Están basados en efectos reversibles.

- Algunos efectos físicos en los que están basados son fuentes
de interferencia en otras situaciones (f.t.e.m., deformación en cables).

Efecto Reversible.

El efecto Peltier es una propiedad termoeléctrica descubierta en 1834 por Jean Peltier, 13 años después del descubrimiento de Seebeck.
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; esto es un ejemplo de efecto reversible.

Efecto Irreversible

Un ejemplo de efecto irreversible seria: Si en un conductor circula corriente eléctrica, parte de la energía cinética de los electrones se transforma en calor debido a los choques que sufren con los átomos del material conductor por el que circulan, elevando la temperatura del mismo. Este efecto es conocido como "Efecto Joule" en honor a su descubridor el físico británico James Prescott Joule, que lo estudió en la década de 1860.

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.

El primer efecto termoeléctrico fue descubierto por el físico alemán Thomas Johann Seebeck en 1821. Seebeck se dio cuenta de que una aguja metálica es desviada cuando se la sitúa entre dos conductores de materiales distintos unidos por uno de sus extremos y sometidos a una diferencia de temperatura (véase Efecto Seebeck). Este efecto es de origen eléctrico, ya que al unir dos materiales distintos y someterlos a una diferencia de temperatura aparece una diferencia de potencial. La principal aplicación práctica del efecto Seebeck es la medida de temperatura mediante termopares.
Unos años más tarde, en 1834, el físico francés Jean-Charles Peltier descubrió el segundo efecto termoeléctrico: en la unión de dos materiales diferentes sometidos a una corriente eléctrica aparece una diferencia de temperaturas (véase Efecto Peltier).
El físico inglés William Thomson (Lord Kelvin) demuestra en 1851 que los efectos Seebeck y Peltier están relacionados: un material sometido a un gradiente de temperatura y recorrido por una corriente eléctrica intercambia calor con el medio exterior. Recíprocamente, un material sometido a un gradiente de temperatura y recorrido por un flujo de calor genera una corriente eléctrica. La diferencia fundamental entre los efectos Seebeck y Peltier considerados por separado y el efecto Thomson es la existencia de este último en un único material, sin necesidad de que exista una unión entre materiales distintos (véase Efecto Thomson).

2 Tipos: a) Reversibles: Efecto Peltier.
Efecto Thompson.
b) Irreversibles: Efecto Joule.

Efecto Peltier

El efecto Peltier consiste en el enfriamiento o calentamiento de una unión entre dos conductores distintos al pasar una corriente eléctrica por ella y que depende exclusivamente de la composición y temperatura de la unión.La potencia calorífica intercambiada en la unión entre A y B es [Biel J. G., 1997]:





donde pAB es el llamado coeficiente Peltier, que se define como el calor intercambiado en la unión por unidad de tiempo y de corriente que circula a través de la misma:


J: flujo de corriente eléctrica
S: superficie
T: temperatura absoluta (K)
aA , aB : coeficiente Seebeck de los materiales A y B respectivamente

Efecto Thompson

El efecto Thomson consiste en la absorción o liberación de calor por parte de un conductor eléctrico homogéneo, con una distribución de temperaturas no homogénea, por el que circula una corriente [Biel J. G., 1997].
El flujo neto de potencia calorífica por unidad de volumen, en un conductor de resistividad r, con un gradiente longitudinal de temperatura, por el que circula una densidad de corriente J será:

donde s es el coeficiente Thomson. El primer término corresponde al efecto Joule, irreversible, mientras que el segundo expresa el efecto Thomson, reversible.Desarrollando esta expresión para obtener la relación entre el coeficiente Thomson y Seebeck y teniendo en cuenta las ecuaciones que rigen los efectos Peltier y Seebeck, se llega a



Quedando para la unión:


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. La magnitud de la termoelectricidad depende del tipo de material de los conductores, la temperatura de contacto y no depende de la temperatura que se distribuye a lo largo del conductor. La termoelectricidad permite evaluar los termopares por el coeficiente de Seebeck para diferentes materiales con un rango desde +43 hasta –38 mV/grado.

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 seria para medir temperatura básicamente.





Tipos de Termopares

- Tipo K (Cromo (Ni-Cr) Chromel / Aluminio (aleación de Ni -Al) Alumel): con una amplia variedad de aplicaciones, está disponible a un bajo costo y en una variedad de sondas. Tienen un rango de temperatura de -200 ºC a +1.372 ºC y una sensibilidad 41µV/°C aprox. Posee buena resistencia a la oxidación.
- Tipo E (Cromo / Constantán (aleación de Cu-Ni)): No son magnéticos y gracias a su sensibilidad, son ideales para el uso en bajas temperaturas, en el ámbito criogénico. Tienen una sensibilidad de 68 µV/°C.
- Tipo J (Hierro / Constantán): debido a su limitado rango, el tipo J es menos popular que el K. Son ideales para usar en viejos equipos que no aceptan el uso de termopares más modernos. El tipo J no puede usarse a temperaturas superiores a 760 ºC ya que una abrupta transformación magnética causa una descalibración permanente. Tienen un rango de -40ºC a +750ºC y una sensibilidad de ~52 µV/°C. Es afectado por la corrosión.
- Tipo N (Nicrosil (Ni-Cr-Si / Nisil (Ni-Si)): es adecuado para mediciones de alta temperatura gracias a su elevada estabilidad y resistencia a la oxidación de altas temperaturas, y no necesita del platino utilizado en los tipos B, R y S que son más caros.
Por otro lado, los termopares tipo B, R y S son los más estables, pero debido a su baja sensibilidad (10 µV/°C aprox.) generalmente son usados para medir altas temperaturas (superiores a 300 ºC).
- Tipo B (Platino (Pt)-Rodio (Rh)): son adecuados para la medición de altas temperaturas superiores a 1.800 ºC. El tipo B por lo general presentan el mismo resultado a 0 ºC y 42 ºC debido a su curva de temperatura/voltaje.
- Tipo R (Platino (Pt)-Rodio (Rh)): adecuados para la medición de temperaturas de hasta 1.300 ºC. Su baja sensibilidad (10 µV/°C) y su elevado precio quitan su atractivo.
- Tipo S (Platino / Rodio): ideales para mediciones de altas temperaturas hasta los 1.300 ºC, pero su baja sensibilidad (10 µV/°C) y su elevado precio lo convierten en un instrumento no adecuado para el uso general. Debido a su elevada estabilidad, el tipo S es utilizado para la calibración universal del punto de fusión del oro (1064,43 °C).
Los termopares con una baja sensibilidad, como en el caso de los tipos B, R y S, tienen además una resolución menor. La selección de termopares es importante para asegurarse que cubren el rango de temperaturas a determinar.

Construcción de Termopares.

Un termopar es un dispositivo formado por la unión de dos metales distintos que produce un voltaje (efecto Seebeck),que es función de la diferencia de 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.

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)
Termopar diferencial, fem=Sa.(ThTref)+ Sb.(ThTh’)+ Sa.(Th’Tref)= Sab.(ThTh’)
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.



En la Figura anterior las temperaturas T3 y T 4 no cambian la energía termoelectromotriz (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 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.

• 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 sera (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.



Aplicando las leyes anteriores se pueden analizar fácilmente circuitos como los que se presentan
a continuación:


En el caso (a) se trata de la conexión serie de varios termopares, constituyendo to 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 tos 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.

Termopar es de tipo T (Cobre-Constantan). El constantan es una aleación formada
por un 45% de niquel y un 55% de cobre.



Para medir la tensión conectamos un voltímetro, lo que crea dos uniones distintas entre sí:
􀁹 J2 (Cu-Constantan) que está sometida a otra Tª creando una tensión V2
􀁹 J3 (Cu-Cu) cuya tensión V3 =0 , ya que ambos extremos son del mismo metal.
Según el circuito termoeléctrico de la figura, podemos establecer:
V = V1 – V2
donde
V2 = S2 · T2
V1 = S1 · T1
Como ambas uniones J1 y J2 estan formadas de los mismos metales, tienen el mismo coeficiente S (i.e.
S1=S2) quedando:
V = S (T1 – T2)
Si medimos la temperatura T2 de la unión J2 que será una temperatura ambiente podremos saber T1 que podrá
ser una temperatua mucho más extrema.
Como el paréntesis es un incremento de Tª no importa que esta venga dada en ºK ó en ºC:
La demostración es inmediata. Si expresamos la Tª en ºK:
V = S [ (T1 ºC+ 273) – (T2ºC + 273)]
V = S (T1 ºC – T2 ºC)

Compensación de la unión de referencia en circuitos de termopares.

Compensación de la unión de referencia en circuitos de termopares
Para aplicar el efecto Seebeck a la medida de temperaturas, es necesario mantener una de las uniones a la temperatura de referencia. Una solución consiste en introducir la unión de referencia en hielo fundente, tal como se indica en la figura (a). Esta solución, aunque de gran exactitud, es poco práctica. Además se debe usar mucho hilo de uno de los dos metales, y esto es caro.
La solución de la figura (b) permite emplear un hilo de conexión más económico, pero sigue precisando el mantenimiento de una temperatura de referencia constante.


Lo más frecuente es emplear la denominada compensación electrónica de la unión de referencia. Consiste en dejar la unión fría a la temperatura ambiente y medir esta con otro sensor dispuesto en sus cercanías. A la tensión del termopar se le suma la tensión que corresponde a la temperatura ambiente. De forma que es como si la unión fría estuviera a 0ºC. En la figura se muestra un ejemplo de compensación de la unión fría basado en la dependencia de la tensión directa en un diodo (VD) con la temperatura. El circuito de compensación se diseña estableciendo la condición de que la corriente por el diodo sea de 1mA y que dV1/dT sea igual al coeficiente
de Seebeck en el margen de temperatura ambiente. El potenciómetro (PAJ) se incluye para ajustar el cero. Se toman como datos la tensión umbral del diodo y su derivada con la temperatura.









Compensación de la unión de referencia en circuitos de termopares.

Para medir el voltaje de Seebeck en una termopar, usted no puede simplemente conectar la termopar a un voltímetro u otro sistema de medición, ya que la conexión de los cables de la termopar con el sistema de medición crea circuitos termoeléctricos adicionales.
Figura 1. termopar Tipo J
figura 1.
Considere el circuito mostrado en la Figura 1, en el cual una termopar tipo J se encuentra en la llama de una vela, que es la temperatura que se desea medir. Los dos cables de la termopar están conectados a los cables de cobre que van hacia el dispositivo de adquisición de datos. Observe que el circuito posee tres uniones diferentes de metales – J1, J2 y J3. J1, la unión de la termopar, genera un voltaje de Seebeck proporcional a la temperatura en la llama de la vela. J2 y J3 poseen individualmente su propio coeficiente de Seebeck y generan su propio voltaje termoeléctrico que es proporcional a la temperatura de los terminales de adquisición de datos. Para determinar la contribución en el voltaje por J1, usted requiere conocer las temperaturas de las uniones J2 y J3 así como las relaciones voltaje-a-temperatura de estas uniones. Entonces usted podrá sustraer las contribuciones de las uniones parásitas J2 y J3 del voltaje medido para la unión J1.Las termopares requieren alguna forma de temperatura de referencia para compensar las uniones en “frío” parásitas no deseadas. El método más común es medir la temperatura en la unión de referencia con un sensor de temperatura de lectura directa y sustraer las contribuciones de voltaje de las uniones parásitas. Este proceso se denomina compensación por unión-en-frío. Usted puede simplificar el cálculo de compensación por unión-en-frío aprovechando algunas características de las termopares.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.

Explicación de la tabla estandar de termopares

Vamos a mostrar el empleo de las tablas estándar de los termopares por medio
de un ejemplo. Recordemos la fórmula de la compensación de la unión fría:

Ejemplo. Un termopar K como el de la Fig.1 proporciona una tensión de
1.643mV. Si la temperatura ambiente medida con un termómetro de
mercurio es de 25ºC, ¿a qué temperatura T está sometida la unión
sensora?

Solución. Según el enunciado ΔV(T,Tamb)=1.643mV, y de la tabla estándar se
tiene ΔV(Tamb,0ºC)=1mV (Tamb=25ºC). Por lo tanto, aplicando la ec. 1
ΔV(T,0ºC)=1.643+1=2.643mV. Buscando en la tabla esta tensión, se
observa que corresponde a una temperatura de unos 65ºC.
Podemos también mediante la ec. 2 realizar un cálculo aproximado (y
sencillo). De la ec. 1 se tiene 1.643mV=40μV/ºC(T-25), con lo que
despejando T se tienen unos 66ºC.

Sensores piezoeléctricos

La palabra "piezo" se deriva del griego que significa "prensar" y el efecto piezoeléctrico es la producción de electricidad mediante la presión. Solamente ocurre en ciertos materiales cristalinos y cerámicos que tienen como propiedad el presentar el efecto piezoeléctrico cuyo principio de funcionamiento consiste en la aparición de una polarización eléctrica bajo la acción de un esfuerzo.
Es un efecto reversible ya que al aplicar una diferencia de potencial eléctrico entre dos caras de un material piezoeléctrico, aparece una deformación. Estos efectos fueron descubiertos por Jacque y Pierre Currie en 1880-81, pero solo hasta 1950 con la invención de las válvulas de vacío tuvo una aplicación práctica como sensor, ya que los cristales contaban con una alta impedancia de salida.

Sensores piroeléctricos

El material cristalino que constituye un sensor piroeléctrico genera una pequeña carga eléctrica cuando es expuesto al calor en forma de radiación infrarroja. El cristal cambia cuando la cantidad de radiación es notable, la carga también cambia y puede entonces ser medida con un dispositivo FET construido dentro del sensor. Y además son más rápidos que los termopares.
Aplicaciones:
Las aplicaciones más comunes de estos sensores piroeléctricos son: o Pirómetros (medida de temperatura a distancia en hornos, vidrio o metal fundido) o Los sensores pasivos de infrarrojos. o Medida de radiación o Detección de llamas o Detección de pérdidas de calor en oficinas, residencias o edificios. o Medidas de potencia generadas por una fuente de radiación. o Analizadores de IR, o Detectores de CO2 y otros gases que absorben radiación, o Detectores de IR emitidas por el cuerpo humano (para detección de intrusos y de presencia en sistemas de encendido --automático de iluminación o calefacción de viviendas, apertura de puertas. o Detección de pulsos láser de alta potencia. o En termómetros de alta resolución (6x10 °C). o Detector de personas o de movimiento.

Sensores fotoeléctricos

Un Sensor fotoeléctrico es un dispositivo electrónico que responde al cambio en la intensidad de la luz. Estos sensores requieren de un componente emisor que genera la luz, y un componente receptor que “ve” la luz generada por el emisor. Todos los diferentes modos de sensado se basan en este principio de funcionamiento. Están diseñados especialmente para la detección, clasificación y posicionado de objetos; la detección de formas, colores y diferencias de superficie, incluso bajo condiciones ambientales extrema.
Descripción de un 42CF es una familia de detectores fotoeléctricos con cuerpo de metal diseñados para aplicaciones industriales de servicio pesado. Cuentan con un resistente envolvente cilíndrico de 12 mm. Los tres modos posibles de detección incluyen haz transmitido, difusa y etrorreflexiva polarizada, lo cual permite que el 42CF pueda usarse en una variedad de aplicaciones complejas. Tanto los sensores difusos de 100 mm como los de 300 mm ofrecen opciones de “aprendizaje remoto y local” que permiten una óptima sensibilidad y ajustes de histérisis para aplicaciones específicas. El estado de presencia del objeto se proporciona a través de una salida discreta NPN o PNP, la cual es compatible con la mayoría de circuitos de control usados actualmente en los sistemas de automatización de fábrica. Las salidas tienen protección contra cortocircuito para frecer una operación continua aun en condiciones inesperadas.s.