SENSORES DIGITALES

Introducción

Los transductores de la posición angular de un eje son componentes fundamentales en la tecnología de control. Es difícil encontrar sistemas mecánicos industriales automatizados que no tengan varios ejes de movimiento angular o lineal. Utilizando un acoplamiento directo o algún tipo de acoplamiento mecánico que realice la adaptación, un codificador de la posición angular se puede utilizar en el monitoreo de cualquier tipo de desplazamiento.

1. Codificadores de posición: incrementales y absolutos.

Sensores digitales

Los sensores digitales se encuentran divididos en dos clases:

Los codificadores de posición: Son aquellos que ofrecen directamente una señal digital a partir de una entrada analógica.
Sensores autorresonantes, de frecuencia variable o casi digitales: Son sensores basados en un fenómeno físico resonante, en general todos requieren de frecuencímetros o contadores.

Sirven para realizar mediciones generalmente de posición lineal o angular y pueden ser incrementales o absolutos.

Codificadores incrementales: Son codificadores que deben estar unidos solidariamente al elemento cuya posición desea medirse. Estos elementos poseen regularmente dos zonas, con propiedades únicas que las diferencian, cuya disposición es equidistante y alternativa.

La resolución de un sensor digital esta dado por:

Donde D es el diámetro del disco y X es al ancho de cada sector codificado ( Ver figuras 1.1, 1.2, 1.3).

Fig. 1.1. Principio de funcionamiento de los codificadores de posición absolutos.

La simplicidad y economía de este tipo de sensores contrasta con los inconvenientes que presenta:

* Pérdida de información sobre la posición cuando falla la alimentación del sistema
* Pérdida de información en presencia de interferencias
* Requerimiento de electrónica especial, como contadores bidireccionales, para acondicionarlos a los elementos de análisis.
* No detecta el sentido de avance si no se dispone de elementos adicionales como otra pista codificada, circuitos electrónicos y otra bobina sensora que dé una señal desfasada 90° respecto a la anterior y un detector de fase que dará una indicación del sentido de giro. Para circuitos ópticos y de contacto se añade una línea de sectores codificados que esté ligeramente desfasada con respecto a la primera y un elemento de lectura adicional.

Los codificadores incrementales pueden ser del tipo magnético, eléctrico u óptico y su salida puede ser en forma de tren de pulsos con un ciclo de trabajo del 50%.
Los magnéticos pueden ser de bobina e imán, de imán y sensor magnetorresistivo o de núcleo toroidal. Los codificadores eléctricos pueden ser capacitivos o de contacto. Los codificadores ópticos pueden estar basados en sectores opacos y transparentes, en sectores reflectores y no eflectores, o en franjas de interferencia. Éstos últimos normalmente cuentan con un LED infrarrojo y un fotodetector (LDR: célula fotoeléctrica o fototransistor).

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.

Discos de codificador incremental

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 entregan una salida codificada que indica la posición del elemento móvil con respecto a una referencia. El elemento móvil cuenta con zonas que permiten distinguir y asignárseles valores de uno o cero.

La principal diferencia con los codificadores incrementales es que cuenta con varias pistas con zonas diferenciadas y agrupadas, de tal forma que el sistema de lectura obtiene directamente, en cada posición del elemento móvil, el número codificado que da su posición. Cada pista representa un bit de la salida, siendo la pista más interior la correspondiente al bit de mayor resolución.
Los sensores más utilizados en este caso son los ópticos, con zonas opacas y transparentes y en menor medida, los de contacto, con zonas conductoras y aislantes.

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.

Disco de codificador absoluto

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.

Los Codificadores de posición son relativos a la medida y control de posiciones lineales y angulares con alta resolución, por lo anterior se emplean en: robótica, grúas, válvulas hidráulicas, plotters, máquinas (figura 1.2) — herramienta, posicionamiento de cabezales de lectura en discos magnéticos y de fuentes de radiación en radioterapia, radar, orientación de telescopios, etc.

Fig. 1.2. Brazo robot

Las figuras 1.3 y 1.4 enseñan discos codificadores absolutos




Fig. 1.3 y 1.4. Disco codificador absoluto en un código pseudoaleatorio

1.1. Construcción de codificadores.

Codificador rotatorio absoluto

Construcción

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 estándar

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)

Ahora, mira los sectores que corresponden a estos códigos en la tabla. Así, de la secuencia de los códigos producidos, parece que el eje saltó del sector 4 al sector 8, entonces volvió al sector 7, y luego al sector 5, que es donde se esperaba encontrarlo. En muchos casos, este comportamiento es indeseable y podría fallar. Por ejemplo, si el codificador fuera utilizado en un brazo robótico el contorlador pensaría que el brazo estaba en la posición incorrecta. Para corregir el error, intentaría girarlo 180º, pudiendo dañarlo.

Codificación con código de Gray

Para evitar el problema anterior, se utiliza el Código 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:

En este ejemplo, la transición del sector 4 al sector 5, como el resto de las transiciones, implica solamente uno de los contactos que cambian su estado de encendido a apagado o viceversa. Esto significa que la secuencia de los códigos incorrectos demostrados en la ilustración anterior no puede suceder aquí.

Codificador rotatorio relativo

El codificador rotatorio relativo (también llamado codificador incremental) se utiliza cuando los métodos de codificación absolutos sean demasiado incómodos (debido al tamaño del disco modelado). Este método también utiliza un disco unido al eje, pero este disco es mucho más pequeño marcado con una gran cantidad de líneas de la parte radial como los radios de una rueda. El interruptor óptico, parecido a un fotodiodo, genera un pulso eléctrico cada vez que una de las líneas pase a través de su campo visual. Un circuito de control electrónico cuenta los pulsos para determinar el ángulo con el cual el eje da vuelta.

Este sistema, en su forma más simple, no puede medir el ángulo absoluto del eje. Puede medir solamente el cambio en ángulo concerniente a cierto dato arbitrario, tal como posición del eje cuando la energía fue encendida. Esta incertidumbre no es un problema para los dispositivos de entrada de la computadora tales como ratones y Trackball. Cuando la posición absoluta debe ser sabida, un segundo sensor puede ser agregado que detecta que el eje pasa por su posición cero.

El segundo problema de este sistema es que no puede decir qué dirección está rotando el eje. Para superar este problema, el sensor óptico se debe aumentar a dos sensores colocados en ángulos diversos alrededor del eje. La dirección de rotación se puede deducir en orden en la cual los dos sensores detecten cada línea radial. Este tipo de codificador se conoce como codificador de la cuadratura.

Codificador rotatorio limitado

Si el fabricante mueve un contacto a una diversa posición angular (en la misma distancia del eje del centro), después el patrón correspondiente al anillo necesita ser rotado el mismo ángulo para dar la misma salida. Si el pedacito más significativo (el anillo interno en el cuadro 1) se rota bastante, empareja exactamente el anillo hacia afuera.

Por muchos años, Torsten Sillke y otros matemáticos creyeron que era imposible codificar la posición respecto a un limitado de modo que las posiciones consecutivas diferencian en solamente un sensor, a excepción del sensor 2, codificador de la cuadratura de la uno-pista. Sin embargo, en 1996, Paterson y Brandestini publicaron un papel que demostraba que era posible, con varios ejemplos. Ver el Código Gris para detalles.

Uso Industrial

NOTA: esto se basa en la observación del campo.

La variante de la cuadratura es la más frecuente de uso industrial, aun cuando es sotisficado y los transductores absolutos más resistentes han estado en el mercado por un tiempo. La mayoría de los usos están satisfechos con una función autoguiada hacia el blanco inicial en energía hasta que alcanzan la colocación absoluta deseada. El cableado simple está asociado a los codificadores de la cuadratura. Y como tal, ha llegado a ser notablemente más barato que el resto de las operaciones de precisión. El único competidor serio que ha notado es el discernidor de imágenes. Esto será debido al discernidor de imágenes que es capaz de soportar así mismo los ambientes del picadillo como el funcionamiento de líquidos.

Otra tendencia que puede suceder son los transductores modernos que se diseñan al salir la cuadratura mientras señala que no son realmente codificadores de la cuadratura en todos.

Durante los 80 y los 90, el mouse, con el interior rotatorio de dos codificadores de la cuadratura era popular como socio al fenómeno de interfaz gráfica de usuario de levantamiento. Este aparato iba a ser utilizado como estación de trabajo pero fue considerado una aceptación mucho más grande para la computadora.
El codificador rotatorio vio que una declinación rápida en este papel como el ratón óptico llegó más lejos en la escena en el 2000. Como nota lateral, estos "opticales" también producen la cuadratura que señala, aun cuando el mercado masivo de la PC ha utilizado siempre el puerto serial del comando para recolectar los deltas.

Un ejemplo de codificadores tanto rotativos como lineales es la marca TR Electronic, marca alemana pionera en el mundo de los sistemas de posicionamiento, especializada en todo tipo de codificadores sobre todo para uso industrial.

1.2. Sistemas de acondicionamiento codificadores.

Sistema 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 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.

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.

3. Otros métodos de detección.

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

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.

Ventajas De La Fibra Óptica

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.

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

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 ↔ 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.

Que es efecto reversible.

Aquél en el que la alteración que supone puede ser asimilada por el entorno de forma medible, a medio plazo, debido al funcionamiento de los procesos naturales de la sucesión ecológica, y de los mecanismos de autodepuración del medio.

Que es efecto irreversible.


Aquél que supone la imposibilidad, o la dificultad extrema, de retornar a la situación anterior a la acción que lo produce.

Que es efecto termoeléctrico.

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

Defina con texto y con gráficos el Efecto Peltier

En 1834 el físico francés Jean C. A. Peltier descubrió un efecto inverso al de Seebeck: Si una corriente pasa a través del termopar, la temperatura de la unión se incrementa y la temperatura en otras secciones se decrementa, así que el calor es transferido desde una unión a otra. La cantidad de calor transferido es proporcional a la corriente y la dirección de transferencia se invierte si la corriente cambia de dirección.

Efecto Peltier (Jean C. A. Peltier 1834).

Consiste en el calentamiento o enfriamiento de la unión de dos metales distintos al pasar una corriente por ellos (Fig 5.1). Al invertir el sentido de la corriente se invierte también el sentido del flujo de calor.

Fig. 5.1. Efecto Peltier: al hacer circular corriente por un circuito de termopares una unión se enfria y la otra se calienta.

Defina con texto y con gráficos el Efecto Thompson

El científico escocés William Thompson (más tarde Lord Kelvin) descubre en 1854 que la diferencia de temperatura que existe entre dos puntos cualesquiera de un conductor que transporta corriente puede absorber o sacar calor dependiendo del material y la dirección de la corriente en el conductor.
Efecto Thompson (William Thompson 1847).
Consiste en la absorción o liberación de calor por parte de un conductor homogéneo con temperatura no homogénea por el que circula una corriente (Fig 5.2). El calor liberado es proporcional a la corriente y cambia de signo con ella.

Fig.5.2. Efecto thompson: al circular una corriente por un conductor homogéneo con temperatura no homogénea, se absorbe o libera calor.

Defina con texto y con gráficos 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. 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.

Efecto Seebeck (Thomas J. Seebek 1822).

En un circuito de dos metales distintos y homogéneos, A y B, con dos uniones a diferentes temperatura.

Aparece una corriente eléctrica (Fig 5.3). Es decir hay una conversión de energía térmica a energía eléctrica. Si el circuito está abierto aparece una fuerza termoelectromotriz que depende de los dos metales y de las temperaturas entre las uniones.

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.

Fig 5.3. Efecto Seebeck en un termopar: aparece una corriente (a) o una diferencia de potencial (b) cuando hay dos uniones adistinta temperatura.

Al conjunto de la unión de estos dos metales de le denomina TERMOPAR.


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.



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.



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...
La siguiente tabla 1 muestra los tipos habituales del termopar, aleaciones y el rango de temperatura en el que puede operar.

Tipo de Termopar

Tabla 5.1.

Estos termopares son de tipo estándar y tiene los siguientes códigos de colores de acuerdo al tipo descrito en la tabla 1 para su fácil conexión a los instrumentos o dispositivos de medición de temperatura.

Fig. 5.4. Códigos de colores

Construcción de Termopares.


Un termopar está compuesto de los siguientes elementos:
- El termopar propiamente dicho ( la sonda de medida) y
- Lo elementos de montajes y de conexión necesarios en cada caso.
El termopar consiste en dos hilos de diferentes materiales o aleaciones de metal, los cuales están soldados en uno de sus extremos; es decir, en el punto de medida.

Fig. 5.5. Construcción de termopares.

Normas de aplicación practica por los Termopares

· Ley de los circuitos homogéneos

Fig. 5.6. Ley de los circuitos homogéneos para termopares.

En un circuito de un único metal homogéneo, no se puede mantener una corriente termoeléctrica mediante la aplicación exclusiva de calor aunque varíe la sección transversal del conductor.

· Ley de los Metales Intermedios

La suma algebraica de las f.t.e.m en un circuito compuesto de un número cualquiera 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. (Fig. 5.7)

Fig. 5.7. Ley de los metales intermedios en circuitos de termopares.


· Ley de las temperaturas sucesivas o intermedias.


Si dos metales distintos producen una f.t.e.m. E1 cuando las uniones están a T1 y T2, y una f.t.e.m E2 cuando las uniones están a T2 y T3, la f.t.e.m cuando las uniones estén a T1 y T3 será E1+E2 (Fig 5.8).

Fig. 5.8. Ley de las temperaturas intermedias en circuitos de termopares.

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

Explicación de la tabla estandar de termopares.

Tabla de Precisión de Termopares por Tipo y Temperatura

Problema:

Estoy leyendo la temperatura utilizando dos termopares del mismo tipo pero las lecturas son diferentes. He calculado la precisión de mi hardware de medida pero no compensa la diferencia en las lecturas. ¿Cuál puede ser la causa de este fenómeno?

Solución:

Además de considerar la precisión del hardware de medida, debe considerar la precisión inherente del termopar. La precisión del termopar es afectada por el tipo y la temperatura. En la tabla a continuación se especifica el máximo error permitido (en grados Celsius) para varios tipos de termopares en conformidad con IEC584-2 (1982).

Tabla 5.2. Tabla de Precisión de Termopares por Tipo y Temperatura

Sensores piezoeléctricos

El efecto piezoeléctrico consiste en la aparición de una polarización eléctrica en un material al deformarse bajo la acción de un esfuerzo.
-. Es un efecto reversible.
-. Todos los materiales ferro eléctricos son piezoeléctricos. La propiedad piezoeléctrica está relacionada con la estructura cristalina.

Fig. 5.9. a) Parámetros empleados para las ecuaciones piezoeléctricas. b) circuito equivalente cuando se mide la tensión generada.

Materiales

-. Naturales más comunes: El cuarzo y la turmalina.
-. Sintéticos: ceraminas.

Fig. 5.10. 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 piezoeléctricos son delicuescentes.

Ventajas

-. Alta sensibilidad y bajo coste.
-. Alta rigidez mecánica (deformaciones experimentadas )

Fig. 5.11. Diversos modos de aplicar el efecto piezoeléctrico a baja frecuencia. En cada caso hay una magnitud nula. En el caso a es el esfuerzo (T=0); en el caso b, el campo electrico (E=0); en el caso c la deformación (S=0); y en el caso d la densidad de carga (D=0).

Sensores piroeléctricos

Fig. 5.12. Energía térmica.

Los sensores de movimiento pir tienen más rango de acción pero son afectados por cambios de temperatura y no se pueden instalar en el exterior

Fig. 5.13. Sensor PIR


El sensor PIR tiene dos elementos de detección conectados en una configuración tal que cancela las señales causadas por la vibración, los cambios de temperatura y la luz del sol. Un cuerpo que pasa delante del sensor activará este mientras que otras fuentes afectarán ambos sensores simultáneamente y serán canceladas. La fuente de la radiación debe pasar a través de los 2 sensores en forma secuencial.

Sensores fotoeléctricos

Un Sensor fotoeléctrico es un dispositivo electrónico que responde al cambio en la intensidad de la luz. Estos sensores requieren de un componente emisor que genera la luz, y un componente receptor que “ve” la luz generada por el emisor. Todos los diferentes modos de sensado se basan en este principio de funcionamiento. Están diseñados especialmente para la detección, clasificación y posicionado de objetos; la detección de formas, colores y diferencias de superficie, incluso bajo condiciones ambientales extremas.
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