Sensores Digitales

Los sensores digitales son aquellos que frente a un estímulo pueden cambiar de estado ya sea de cero a uno o de uno a cero (hablando en términos de lógica digital) en este caso no existen estados intermedios y los valores de tensión que se obtienen son únicamente dos, 5V y 0V (o valores muy próximos)

Se distingue aquí dos tipos de sensores digitales. Los primeros ofrecen directamente una señal digital a partir de una entrada analógica; este grupo lo forman los codificadores de posición. El segundo tipo es el de los sensores que se basan en un fenómeno físico de tipo oscilatorio, transducido posteriormente por un sensor modulador convencional. Los sensores de este grupo se denominan autoresonantes, de frecuencia variable, o casi digitales, y necesitan un circuito electrónico posterior (un contador) para ofrecer la señal digital deseada. Se diferencia delos osciladores variables en que estos últimos incorporan un sensor modulador en un oscilador, mientras ahora se trata de un oscilador no electrónico del que se mide una de las variables mediante un sensor modulador. Una excepción son los termómetros digitales de cuarzo, que emplean un sensor generador

Codificadores incrementales

En un codificador de posición incremental hay un elemento lineal o un disco con poca inercia que se desplaza solidario a la pieza cuya posición se desea determinar. Dicho elemento posee dos tipos de zonas o sectores, con una prioridad que las diferencia, dispuesta de forma alternativa y equidistante, De este modo, un incremento de posición produce un cambio definido en la salida si se detecta dicha prioridad cambiante con la posición mediante un dispositivo o cabezal de lectura fijo. La resolución, de un sensor angular, dada como número de impulsos de salida, es

donde D es el diámetro del disco y X la anchura de cada sector codificado.

La simplicidad y economía de esta técnica no admiten duda, pero tiene una serie de inconvenientes que conviene señalar. En primer lugar, la información sobre la posición se pierde en cuanto falta la alimentación del sistema, o simplemente cuando se desconecta, y en presencia de interfaces fuertes. En segundo lugar, es necesario un contador bidireccional para poder tener una salida digital compatible con los elementos de entrada-salida de un ordenador; y en tercer lugar, no permite detectar el sentido de avance.Las propiedades empleadas para la diferenciación de los sectores pueden ser magnéticas, eléctricas u ópticas.

La salida básica suele ser en forma de un tren de pulsos con un ciclo de trabajo del 50%.

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 deflectores, o en franjas de interferencia. Éstos últimos normalmente cuentan con un LED infrarrojo y un foto detector (LDR: célula fotoeléctrica o fototransistor)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 foto sensor (o un conjunto de éstos, para más precisión), generando un pulso por cada ranura o cambio de color.

Codificadores Absolutos

Los codificadores de posición absolutos ofrecen a su salida una señal codificada correspondiente a la posición de un elemento móvil, regla o disco, con respecto a una referencia interna. Para ello, el elemento móvil dispone de zonas con una propiedad que las distingue, y a las que se asigna un valor binario "0" o "1". Pero, a diferencia de los codificadores increméntales, hay varias pistas con zonas diferenciadas y están 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 salida, siendo la pista más interior la correspondiente al bit de mayor peso. Los tipos de sensores más empleados en este caso son los óptico, con zonas opacas y transparentes y en menor medida, los de contacto, con zonas conductoras y aislantes. Hay conjuntos de fotosensores integrados que facilitan en gran manera la realización del codificador.

Estos codificadores tienen inmunidad intrínseca frente a las interrupciones e interferencias electromagnéticas, pero ello es a cuesta de unos cabezales de lectura que son mucho mas complejos que en los codificadores increméntales. Esto se debe a que hay tantos elementos de lectura como pistas y a la necesidad de que todos ellos estén bien alineados, de forma contraria, el código ofrecido a la salida puede estar formado por bits correspondiente a dos posiciones contiguas (en particular cuando se produzca la transición de una a otra). El código resultante puede corresponder a una posición muy distante de la real. Si, por ejemplo, se emplea el código binario natural, en un sistema con 8 bits las posiciones 3 y 4 vienen dadas por:

Posición 3 0 0 0 0 0 0 1 1
Posición 4 0 0 0 0 0 1 0 0

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—,herramienta, posicionamiento de cabezales de lectura en discos magnéticos y de fuentes de radiación en radioterapia, radar, orientación de telescopios entre otros.

Por ejemplo, para medidas de nivel con flotador. Los codificadores absolutos son indicados en aplicaciones donde el elemento móvil permanece inactivo durante periodos de tiempo prolongados, por ejemplo antenas parabólicas, o cuando se mueve lentamente. También interesan cuando se desea ahorrar energía, por qué sólo hace falta alimentación cuando se desea información.

Resonadores de cuarzo

Si sobre un cristal de cuarzo dispuesto en un oscilador se deposita una pequeña masa, la frecuencia de resonancia se reduce. Si la frecuencia de oscilación era f0, el área del cristal A, su densidad p, y la masa depositada Am, el desplazamiento de frecuencia viene dado en primera aproximación por la ecuación de Sauerbrey

Donde N es una constante, y se supone que la masa añadida no se deforma durante la oscilación. Para un cristal de cuarzo cortado en dirección AT y resonando en modo flexión, queda f= -2,3ﾗ106 f0

2(m/A). Se emplean discos de 10 a 15 mm de diámetro y 0,1 a 0,2mm de espesor. La frecuencia de resonancia va de 5 a

20Mhz. Para un sensor de 5MHz, se puede obtener una sensibilidad de 189 ng/(cm2Hz).

Este método se aplica a la medida de humedad a base de recubrir el cristal con un material higroscópico que se expone al ambiente cuya humedad se desea medir. El agua absorbida aumenta la masa y reduce la frecuencia de oscilación. Si el cristal se recubre con materiales orgánicos no volátiles específicos en vez de un material higroscópico, se pueden detectar compuestos volátiles específicos en fase gaseosa. Con este método se han podido detectar cambios de masa del orden de nanogramos.

Los osciladores de cristal de cuarzo también se han empleado como monitores económicos de deposición en vacío. Se emplean dos osciladores de reloj comerciales: uno para la detección, con un agujero en su encapsulado, hacia el centro del electrodo de cristal, y el otro oscilador se emplea como referencia. Ambos osciladores se colocan en la cámara de vacío y, de esta forma, se minimiza el efecto de los hilos de conexión al sensor, y se asegura que estarán a la misma temperatura.

caudalímetro de vórtice

El principio del caudalimetro de vértice esta basado en la medición de la frecuencia degeneración 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 método 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.

Construcción de 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.

Sistemas de acondicionamiento

Los sensores QCM (Microbalanzas de Cuarzo) poseen una alta impedancia, una forma de medir la señal proveniente de este sensor es empleando un amplificador de carga y la otra es mediante el uso de un amplificador electrométrico. Ademas estos sensores necesitan un circuito oscilador un circuito basico de los osciladores son los serie y los paralelos.

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 cantids 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

Basado en uniones semiconductoras. Construcción y circuitos de acondicionamiento.

Su interes es doble por una parte la aplicación de los procesos de fabricacion en gran escala permite pensar en unos precios mas competitivos, por otra parte, la posibilidad de incorporar los circuitos para el acondicionamiento de señales y correccion de errores en el mismo circuito integrado. Entre estos estan:

• Termometros basados en uniones semiconductoras

• Magnetodiodos y magnetotransistores.

• Fotodiodos y fototransistores

Basados en ultrasonidos. Construcción y circuito de acondicionamiento

Los ultrasonidos son una radiación mecánica de frecuencia superior a las audibles. Toda radiación, al incidir sobre un objeto, en parte se refleja, en parte se transmite y en parte es absorbida. Si, además, hay un movimiento relativo entre la fuente de radiación y el refractor, se produce un cambio en la frecuencia de la radiación (efecto Doppler).

Las aplicaciones de los ultrasonidos a la medida de magnitudes físicas están normalmente relacionada con la velocidad, su tiempo de propagación y, en algunos casos, con la atenuación o interrupción del haz propagado. Una de las aplicaciones más extendidas son los caudalímetros ultrasónicos, en particular los basados en efecto Doppler. El número de aplicaciones está en continuo aumento. La mayoría emplean cerámica piezoeléctrica o polímetro como generadores y receptores. El efecto Doppler consiste en el cambio de frecuencia que sufre una radiación cuando se refleja en un reflector móvil a la velocidad relativa emisor-reflector. Como reflectores pueden actuar todas las sustancias que tengan una impedancia acústica diferente a la del fluido. Para tener una defección efectiva, el tamaño de los reflectores debe ser superior a un 10% de la longitud de la onda del sonido en el fluido. Las frecuencias empleadas son del orden de 1Mhz, implicando longitudes de ondas de decenas de micras. Para frecuencias superiores, la atenuación de la radiación en el medio sería excesiva.

Basado en fibras ópticas. Construcción y circuito de acondicionamiento.

Los sensores de Fibra Óptica 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 Óptica se ha notado una evolución en los últimos años muy importante.

Definición de sensores generadores.

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

Ofrecen una alternativa para medir muchas de las magnitudes ordinarias, sobre todo temperatura, fuerza y magnitudes afines. Pero, además, dado que se basa en efecto reversible, están relacionado con diversos tipos de accionadores o aplicaciones inversas en general. Es decir, pueden emplear para la generación de acciones no eléctricas a partir de señales eléctricas.

Que es efecto reversible.

Se basa en la aparicion de una señal a, a partir de una señal b, se denomina efecto reversible cuando a partir de la señal b, se puede generar la señal a.

Que es efecto irreversible.

Se basa en la aparicion de una señal a, a partir de una señal b, se denomina efecto irreversible cuando a partir de la señal b, no se puede generar la señal a.

Que es 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.

Defina con texto y con gráficos el Efecto Peltier

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

Cuando se hace circular una corriente I a través del circuito, se desprende calor de la unión superior (T2) y es absorbido por la unión inferior (T1). El calor de Peltier absorbido por la unión inferior por unidad de tiempo, es igual a:


Donde Π es el coeficiente de Peltier ΠAB de la termopareja completa, y ΠA y ΠB son los coeficientes de cada material. El silicio tipo-p tiene un coeficiente Peltier positivo a temperaturas inferiores a 550 K, y el silicio tipo-n tiene un coeficiente Peltier negativo.

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

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

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

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

Defina con texto y con gráficos el 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:

Defina con texto y con gráficos el Efecto Seebeck

Históricamente fue primero Thomas J. Seebeck quien descubrió, en 1822, que en un circuito de dos materiales distintos homogéneos, Ay B, con dos uniones a diferente temperatura, aparece una corriente eléctrica, o bien, si se abre el circuito, una fuerza termo electromotriz que depende de los metales y de la diferencia de temperaturas de las dos uniones. Al conjunto de estos dos metales distintos con una unión firme en un punto o una zona se le denomina termopar.

Tipos de Termopares .

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

Para lograr estas propiedades se emplean aleaciones especiales: níquel (90)/cromo (10) – cromel; cobre (57)/níquel (43); níquel (94)/aluminio (2)/manganeso (3)/silicio (1) – alumel-; etc. La proteccion frente al ambiente se logra mediante una vaina, normalmente de acero inoxidable. La velocidad de respuesta y la robustez de la sonda vendran afectadas por el espesor de dicha vaina. El silicio y el germanio presentan tambien propiedades termoeléctricas, si bien hasta ahora han encontrado mas aplicación como refrigeradores (elementos peltier) que como termopares de medida.

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 errore 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

La medición de temperaturas mediante termopares, además de las ventajas e inconvenientes expuestos anteriormente, esta sujeta a una seria de leyes verificadas experimentalmente, que simplifican en gran manera el análisis de circuitos con termopares.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 distintos producen una f.t.e.m. E1 cuando las uniones estan a T1 y T2 y una f.t.e.m. E2 cuando las uniones estan a T2y T3 la f.t.e.m. cuando las uniones esten a T1 y T2 sera E1 + E2. Esto significa por ejemplo que la unión de referencia no tiene porque estar a 0ºC sino que puede usarse otra temperatura de referencia.

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

Un termopar convencional con un tubo de protección metálico se encuentra sometido a una diferencia de temperatura, pues una parte de él está en contacto con el proceso y la otra extremidad en contacto con el ambiente, cada una de ellas a cierta temperatura. Es inevitable, por tanto, que por el conjunto sensor/tubo de protección exista un flujo de calor que parte de la región de mayor temperatura hacia la de menor temperatura. El equilibrio ocurre cuando el flujo de calor recibido por el sensor es igual al que se ha perdido, por lo que en tal situación su temperatura no es necesariamente igual a la temperatura del proceso.

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.Es una solución de gran exactitud y facilidad de montaje, pero es de difícil mantenimiento y coste alto. Se puede mantener también la unión de referencia a una temperatura constante a base de emplear un refrigerador Peltier o un horno termostatado. Pero, en cualquier caso, debe usarse mucho hilo de uno de los dos metales del termopar, y esto encarece la solución.

Explicación de la tabla estandar de termopares.

Los termopares comerciales se designan por letras (T, E, J, K, R) que identifican los materiales que contienen y se especifican generalmente por su sensibilidad o coeficiente térmico (MV/ºC).os termopares comerciales se designan por letras (T, E, J, K, R) que identifican los materiales que contienen y se especifican generalmente por su sensibilidad o coeficiente térmico (MV/ºC).

El tipo E, J, K, y T son termopares de base metálica y se pueden utilizar hasta por encima de 1000°C. El tipo S, R, y B se denominan termopares nobles por poseer platino como elemento básico y se pueden utilizar hasta por encima de 2000°C.

Sensores piezoeléctricos

El efecto piezoeléctrico, descubierto a finales del siglo XIX por Pierre y Jacques Curie, hace referencia a algunos materiales que son capaces de generar un potencial eléctrico en respuesta a una deformación mecánica. Dicho potencial se genera a lo largo de ciertos ejes cristalográficos que como respuesta a la deformación mecánica. El material sufre un reordenamiento de las cargas internas, tanto positivas como negativas, y por ende producen un potencial eléctrico. Para medir el potencial eléctrico generado se usan dos electrodos, su magnitud es proporcional a la deformación y depende en gran medida de la dirección en que se aplique la deformación.

El efecto piezoeléctrico es reversible, es decir que la aplicación de un potencial eléctrico a un cristal piezoeléctrico produce deformación. Ambas propiedades se han empleado considerablemente en la industria y en el diseño de bioinstrumentos.
Los piezoeléctricos son dispositivos de alta impedancia, por esto solo pueden suministrar corrientes muy pequeñas. Si la temperatura es elevada lo suficiente, punto Curie, estos materiales pueden perder sus propiedades. Debe notarse que una limitación de los piezoeléctricos es que no tienen buena respuesta a la aplicación de una fuerza constante, pero su
respuesta es adecuada para la medición de fuerzas mecánicas cambiantes. Su respuesta en frecuencia va desde unos pocos Hertz hasta el nivel de Mega Hertz.

Sensores Piroeléctricos

El sensor piroelectrico esta hecho de un material cristalino que genera una pequeña carga eléctrica cuando es expuesto al calor en forma de radiación infrarroja. Cuando la cantidad de radiación es notable el cristal cambia, la cantidad de carga también cambia y puede entonces ser medida con un sensible dispositivo FET construido dentro del sensor. Los elementos del sensor son sensibles a la radiación en un amplio rango entonces se agrega una ventana que actúa como filtro para limitar la radiación de llegada a un rango de 8 a 14 micras donde es mas sensible a la radiación del cuerpo humano.

Esquema General

Sensores Fotoelectricos

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.

Sensores Moduladores

Los sensores moduladores son aquellos que varían un parámetro eléctrico en función de la variable a medir. La variable puede ser presión, temperatura, caudal, etc., y el parámetro eléctrico puede ser resistencia, inductancia, capacitancia o campo magnético o eléctrico. La clasificación general de esto sensores se hace en Sensores resistivos y sensores de reactancia variable.

1. Sensores resistivos.

Los sensores moduladores del tipo resistivos, son aquellos que varían una resistencia en función de la variable a medir. Se ha realizado una clasificación de estos sensores en función de la variable a medir, tal como refleja la tabla siguiente:

1.1. Potenciómetros (Variables mecánicas)

Potenciómetros (Variables mecánicas)

El potenciómetro es un sensor utilizado para medir la variable mecánica desplazamiento, y consiste de un dispositivo con dos partes y tres terminales.

Una de las partes es una resistencia fija descubierta la cual puede ser de carbón o de hilo arrollado.

La otra parte es un contacto móvil que se desplaza por la resistencia fija.

En Teoría, para un conductor cualquiera, su resistencia viene dada por:

Donde:

ρ = Resistividad del material (Ωm)

A = Sección transversal

l = Longitud del conductor.

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

El problema de este tipo de sensor es:

a. Varía con la temperatura.

b. Varía con la deformación de la sección transversal, causada por la presión o fuerzas ejercidas sobre el.

c. El contacto del cursor origina desgaste, modificando la sección transversal.

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

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

La ecuación de su resistencia es ahora:

Los potenciómetros pueden dar una salida analógica, si la resistencia fija es de carbón, o digital, si la resistencia fija está formada por hilo arrollado.

El potenciómetro se utiliza para medir preferiblemente desplazamientos, conectando el objeto de medición a su cursor. Sin embargo, puede ser utilizado para medir otras variables de forma indirecta, cuando estas generen desplazamientos en otros dispositivos.

Por ejemplo:

a. Se puede utilizar para medir presión, si se conecta el cursor al extremo de un tubo Bourdon.

b. Para medir nivel en líquidos conductores o no conductores.

c. Para medir temperatura si se conecta al extremo de un medidor de bulbo y capilar.

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

1.2. Galgas extensométricas (Variables mecánicas)

Se basan en el efecto piezorresistivo ya descrito para el potenciómetro. LA diferencia es que ahora se busca modificar la resistencia variando algunos de los parámetro de la resistencia, por ejemplo, su longitud l o su sección transversal A.

Si a una pieza de material resistivo se le aplica un esfuerzo, esta se deformará, y cambiará su resistencia. Por tanto, este tipo de sensores se utiliza para medir fuerza o presión, aunque también puede aplicarse a la medida de desplazamientos pequeños.

Todo material al que se le aplica un esfuerzo se deformará en mayor o menor grado, y llegará a un punto en que se romperá. Esta relación esfuerzo vs deformación se muestra en la siguiente gráfica.

Si se tiene un conductor cilíndrico de longitud l y sección transversal A, y se le aplica un esfuerzo perpendicular a la sección transversal, de tal forma de comprimirlo o estirarlo, es decir,

Donde:

E = Constante del material o módulo de Young en Pa

σ = Tensión mecánica o esfuerzo en Pa o Kg/cm2

ε = Deformación unitaria adimensional, normalmente dada en μdeformaciones (10-6 m/m)

Este análisis tan simple no es aplicable para piezas tridimensionales, ya que al aplicar el esfuerzo en la dirección indicada es de esperar que también se altere la sección transversal A. Si denominamos D al diámetro involucrado, se debe definir un nuevo coeficiente: el coeficiente de Poisson, el cual viene definido como:

Se procederá a realizar un análisis de la relación de estas deformaciones con la resistividad del material.

Para los metales se cumple:

dp/p=CdV/V

Donde C es la constante de Bridgman (1,13 a 1,15 para galgas)

El volumen del resistor cilíndrico indicado al principio es:

Sustituyendo (8) en (7)

Sustituyendo (9) en (6)

De (1)

Sustituyendo (11) en (10)

Como es un cilindro:

Sustituyendo (14) en (12)

K se denomina factor de sensibilidad de la galga.

Si los cambios en un sensor resistivo puede ser expresados como

Finalmente como de (4)

Los principales problemas de las galgas son:

a. Cuidar el margen elástico.

b. El esfuerzo debe ser totalmente transversal a la galga.

c. La temperatura altera su valor.

Ejemplos de galgas:

Las galgas se pueden aplicar a:

a. Medida de fuerza.

b. Medida de presión.

c. Medida de desplazamientos pequeños.

d. Medida de vibración.

1.3. Termorresistencias (Variable térmicas)

Una termorresistencia es un dispositivo que varía su resistencia con la temperatura. Suele denominarse RTD (Resistive temperature detector) por sus siglas en ingles.

El símbolo que la caracteriza es:

El símbolo sin flecha indica que la variación es intrínseca por la característica resistiva, no por manipulación manual.

La ecuación característica de las termorresistencia es la siguiente:

Este dispositivo tiene como limitaciones.

* No puede medir temperaturas próximas a la de la fusión del conductor con que se fabrica.

* El autocalentamiento ocasionará derivas en la medición.

* S se deforma, puede cambiar su patrón de medición.

Tiene como ventaja el ser diez veces más sensible que los termopares, tal como se verá más adelante.

Normalmente no es necesario considerar todos los coeficientes de la ecuación (19), sino que considerando solo el primer término se tiene una excelente aproximación, es decir,

Donde α es la sensibilidad del material, y R0 es la resistencia a la temperatura de referencia (normalmente 0 grados).

En la tabla siguiente se muestran las Termorresistencias típicas:

La termorresistencia mas común por su linealidad es la de platino, que se suele denominar.

Pt100 (termorresistencia de platino con R0 =100 Ω a 0° C)

Pt1000 (termorresistencia de platino con R0 =1000 Ω a 0° C)

1.4. Termistores (Variables térmicas)

Los termistores también son resistencias que varían su magnitud con la temperatura. Se diferencian de las termorresistencia por que están basadas en semiconductores. Por tanto su característica no es lineal, aunque dentro de un margen adecuado pueda ser considerada de es amanera.

Su símbolo será:

La raya quebrada indica que no es lineal. El elemento positivo o negativo indica que tiene una característica positiva o negativa respectivamente. Es decir, si es de coeficiente positivo, PTC, la resistencia se incrementa con la temperatura. Si es de coeficiente negativo, NTC, disminuye con la temperatura.

En el caso de una NTC la ecuación característica será

Donde:

B = temperatura característica del material (2000 K a 5000 K)

R0 = Resistencia a la temperatura de referencia T0, normalmente la temperatura ambiente

(25 °C o 298 K)

Tiene como ventajas el ser más sensible que las Termorresistencias, más rápidas y permite hilos de conexión mayores.

Tiene como desventaja el ser no lineal, y al variar su temperatura por el autocalentamiento del material.

Los termistores tienen muchas aplicaciones algunos de los cuales son.

a. Medida directa de temperatura por variación de corriente:

b. Medida de caudal en circuito puente.

c. Protección por autocalentamiento.