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.
•
• 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.
· 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.
Explicación de la tabla estandar de termopares.
Tabla de Precisión de Termopares por Tipo y Temperatura
Problema:
Solución:
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.
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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