Laboratorio 2

REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA

UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA

“ANTONIO JOSÉ DE SUCRE”

VICE-RECTORADO PUERTO ORDAZ

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA

ACONDICIONAMIENTO DE SENSORES

Prof. Ángel Custodio

Mediciones Industriales

GARCÍA, María 17 211 796

GUZMÁN, Andrea 82 288 435

SUÁREZ, Alfonso 18 246 866

WILHELM, Neucrates 16 629 568

Ciudad Guayana, febrero de 2009

INTRODUCCIÓN

Los sensores resistivos representan la gama más amplia disponible de sensores en el mercado. Esto se debe a la facilidad con la cual pueden ser diseñados los acondicionadores colocados a su salida y la alta flexibilidad con la que se pueden diseñar los circuitos de alimentación y los circuitos para corregir errores en la medición. El origen de estos errores viene dado por las grandes diferencias entre los materiales y consideraciones de fabricación tomados en cuenta en los sensores resistivos. Los hay de materiales conductores y semiconductores, y en distintos tamaños y formas, para aplicaciones como la medida de esfuerzo, luminosidad, posición, y la que se analiza en este laboratorio, temperatura.

Para medir temperatura se dispone generalmente de dos tipos de sensores, las termorresistencias (RTD, Resistance Temperature Detector) y los termistores (Thermally Sensitive Resistor). Las termorresistencias se basan en el aumento de vibraciones en un conductor debido a la temperatura; los átomos, al vibrar más, dispersan más los electrones y disminuyen su velocidad a través del conductor, tienen coeficiente de temperatura positivo. Se consideran lineales ya que hasta 600 °C los términos no lineales dependientes de la temperatura son más de diez veces menores al término lineal.

La resistencia de los termistores depende exponencialmente de la temperatura. Se basan en la variación en el número de portadores debida a variaciones en la temperatura. Si su resistencia aumenta con la temperatura, se denominan PTC (Positive Temperature Coefficient). Si su resistencia es inversamente proporcional a la temperatura, se denominan NTC (Negative Temperature Coefficient). Se clasifican comercialmente de acuerdo a su temperatura a 25 °C y un parámetro importante es la temperatura característica del material (b) que generalmente varía entre 2000 K y 5000 K.

OBJETIVOS

· Analizar la importancia del amplificador de instrumentación como interfaz para sensores.

· Calcular los errores obtenidos diferenciando el de cero, ganancia y no linealidad

SENSORES MODULADORES

La temperatura puede medirse de numerosas maneras y con una gran variedad de elementos, esta es difícil de definir, ya que no es una variable tan tangible como la presión, dado que en su caso, no podemos referirla a otras variables.

Los sistemas de medición de uso mas común en instrumentación y control de procesos, sugieren criterios a utilizar para seleccionar el mejor sensor para una aplicación particular; pero antes de construir un sistema de medición es necesario conocer el proceso y la técnica asociada a la variable a medir y por lo que se hace necesario establecer las características de los sensores a modo de implementar un proceso de medición adecuado.

De igual manera para el diseño de los acondicionadores de señal para sensores de resistencia variable como los termistores y las termoresistencias, existe una flexibilidad que puede usarse de forma ventajosa, tal es el caso de circuitos de puente de wheastone y los amplificadores de instrumentación, que además ofrecen una ganancia estable y ajustable.

Los sensores moduladores o activos, son aquellos donde la energía de la señal de salida procede, en su mayor parte, de una fuente de energía auxiliar. La entrada sólo controla la salida.

Los sensores moduladores requieren en general más hilos que los generadores, ya que la energía de alimentación suele suministrarse mediante hilos distintos a los empleados para la señal. Además, esta presencia de energía auxiliar puede crear un peligro de explosiones en algunos ambientes. Por contra, su sensibilidad se puede modificar a través de la señal de alimentación, lo que no permiten los sensores generadores.

Entre los distintos tipos de sensores moduladores podemos nombrar:

Sensores Resistivos

Potenciómetros (Variables mecánicas)

Un potenciómetro es un resistor al que le puede variar el valor de su resistencia. De esta manera, indirectamente se puede controlar la intensidad de corriente que hay por una línea si se conecta en serie, o la diferencia de potencial de hacerlo en paralelo.

El potenciómetro posee un contacto móvil que se desliza o gira, y la resistencia entre este contacto móvil y uno de los terminales fijos es:

R= p (1-x)/A

Galgas extensométricas (Variables mecánicas)

Las galgas extensométricas son sensores de deformaciones basados en la variación de la resistencia eléctrica con la deformación, en un hilo conductor calibrado, o en resistencias construidas a base de pistas de semiconductor. Se emplean también, combinadas con muelles o piezas deformables para detectar de forma indirecta esfuerzos. En definitiva suelen usarse más que como sensores de deformación como sensores de medida indirecta de esfuerzos (fuerza o par).

En las galgas de hilo la resistencia esta formada por un hilo dispuesto en forma de zigzag sobre un soporte elástico, con una longitud preferente (L) a lo largo de la cual se encuentra la mayor cantidad de hilo . Al deformarse la galga en la dirección preferente, se produce un alargamiento del hilo y una disminución de su sección y, por tanto, una variación en su resistencia. Para poder medir variaciones de resistencia significativas, la galga debe tener una resistencia alta 100 y 1000, y funcionar con un consumo muy bajo, para evitar que el efecto Joule provoque variaciones importantes de la resistencia por calentamiento. La medida de deformaciones requiere una meticulosa colocación de las galgas y una calibración laboriosa, y la amplificación suele realizarse por métodos diferenciales con tres hilos.

Termorresistencias (Variable térmicas)

Sensores pasivos de tipo analógico basados en el cambio de resistividad eléctrica de algunos metales o semiconductores con la temperatura.

Los conductores eléctricos presentan un aumento de resistencia con la temperatura.

Rt = Ro (1+a(T-to))

Aprovechando esta propiedad se construyen sondas analógicas de temperatura. Para ello es preciso utilizar un material cuyo coeficiente (coeficiente térmico de resistencia) se mantenga relativamente constante y de una buena sensibilidad. Las sondas industriales se suelen construir a base de Platino cuyo coeficiente térmico es 0.00385 °C-1, dichas sondas suelen tener un valor nominal de 100 a 0°C, de donde se deriva el nombre Pt100. Las sondas Pt100 son aptas para un rango de temperaturas entre -250°C y 850°C, teniendo muy buena linealidad entre -200°C y 500°C

Termistores (Variables térmicas)

Un Termistor NTC (Negative Temperature Coefficient) es una resistencia variable cuyo valor va decreciendo a medida que aumenta la temperatura. Son resistencias de coeficiente de temperatura negativo, constituidas por un cuerpo semiconductor cuyo coeficiente de temperatura es elevado, es decir, su conductividad crece muy rápidamente con la temperatura. Se emplean en su fabricación óxidos semiconductores de níquel, zinc, cobalto, etc.

La relación entre la resistencia y la temperatura no es lineal sino exponencial:

R= A exp(B/T)

, donde A y B son constantes que dependen del termistor.

La característica tensión-intensidad (V/I) de un termistor NTC presenta un carácter peculiar ya que, cuando las corrientes que lo atraviesan son pequeñas, el consumo de potencia (R * I2) será demasiado pequeño para registrar aumentos apreciables de temperatura, o lo que es igual, descensos en su resistencia óhmica; en esta parte de la característica, la relación tensión-intensidad será prácticamente lineal y en consecuencia cumplirá la ley de Ohm.

Si se sigue aumentando la tensión aplicada al termistor, se llegará a un valor de intensidad en que la potencia consumida provocará aumentos de temperatura suficientemente grandes como para que la resistencia del termistor NTC disminuya apreciablemente, incrementándose la intensidad hasta que se establezca el equilibrio térmico. Ahora nos encontramos, pues, en una zona de resistencia negativa en la que disminuciones de tensión corresponden aumentos de intensidad.

Circuitos de Acondicionamiento.

Puente de Wheastone

Es el método habitual para obtener una señal eléctrica de salida en función de la magnitud a medir con el puente. Normalmente, para x=0 el puente debe estar equilibrado, es decir, los dos divisores de tensión presentan la misma tensión de salida. En el equilibrio se debe cumplir que:

R1/R4=R2/R0=k

La tensión de salida V_s se puede expresar en función de k y x:

Vo= V(kx/((k+1)(k+1+x)))

De la expresión anterior se deduce que la salida del puente sólo es lineal con x si k+1 es mucho mayor que x. En las figuras se muestra la tensión de salida del puente en función de x para varios valores de k.

Amplificador de Instrumentación

Un amplificador de instrumentación es un dispositivo creado a partir de amplificadores operacionales. Está diseñado para tener una alta impedancia de entrada y un alto rechazo al modo común (CMRR). Se puede construir a base de componentes discretos o se puede encontrar encapsulado (por ejemplo el INA114).

La operación que realiza es la resta de sus dos entradas multiplicada por un factor.

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

En esta práctica se realizó la medición de la salida de dos circuitos de acondicionamiento para un termistor RS 256-073 y una termorresistencia RS 341-452, para lo cual se contó con una maqueta donde se generan valores de temperatura que van desde 25ºC (temperatura ambiente), hasta poco mas de los 100ºC; haciendo uso de un dimmer para regular la intensidad de luz en el bombillo dentro de la maqueta, para aumentar o disminuir la temperatura; se colocaron los sensores aproxidamente en el mismo punto y se registraron valores de voltajes tanto del circuito del termistor como del de la termorresistencia, para cada valor de temperatura, en intervalos de separación de 25ºC. Las medidas para 0ºC, se realizaron usando cubos de hielo.

Para cada valor de temperatura se tomaron cinco medidas de resistencia separadas entre si en tiempos de 30 segundos y se realizaron las medidas desde el mayor valor hasta el menor y luego de forma ascendente para establecer la histéresis del sensor.

Diagrama de la experiencia realizada.

Circuito Propuesto para el Acondicionamiento del Sensor RS 341-452

Para este circuito de acondicionamiento, se usó un puente de Wheastone, ya que este permite que el voltaje de salida sea una función de la variable medida, en este caso, la temperatura del bombillo. Para determinar el valor de las resistencias, se considera la variación de resistencia del sensor desde su mínimo hasta su máximo para el sistema que se desea implementar, ya que este tipo de acondicionamiento se usa para sensores resistivos que varían según la ecuación:






Rt=Ro(1+x) , donde x debe ser un valor pequeño.

Según la ecuación de salida del puente, esta será lineal, siempre y cuando "k" sea mucho mayor que "x+1", donde k se define por la relación:






R1/R4=R2/R0=k






por lo cual k=10, es suficiente para asegurar la linealidad de la salida. Se definen entonces, usando esta expresión cuando el puente está en equilibrio, las resistencias, se hace R4=100, y por ende R1=R2=10*R4=1000






Debido a que la variación de salida del puente no es de gran magnitud


se usa un amplificador de instrumentación, que permite realizar la resta de los divisores de tensión del puente, y a la vez amplificarla para obtener los valores de voltaje máximo y mínimo que se requieren en esta experiencia.

Descripción del circuito propuesto del termistor

Para linealizar el termistor se coloca una resistencia en serie con el mismo. Conociendo el valor de b calculado en el primer laboratorio, se calcula el valor de la resistencia en serie para linealizar en el rango de 0 a 100 °C.

Como el voltaje de salida del puente es:

Es evidente que no varía linealmente con el valor de Rt (resistencia del termistor). Como Rt tampoco varía linealmente con la temperatura, se puede linealizar la expresión para la temperatura si se escoge un valor adecuado de R.

Luego de analizar varios valores de R, se escogió 3 KW ya que este valor presentó mejor coeficiente de correlación al estudiar la covarianza entre la salida de voltaje teórica del puente y la temperatura, para distintos valores de R.

Medidas obtenidas

Tabla 1. Medidas obtenidas

Cálculo de errores

Tabla 2. Medias aritméticas y desviación estándar para cada temperatura patrón

Error de linealidad

El error de linealidad se calculó luego de realizar la gráfica de dispersión de la temperatura medida experimentalmente vs. la temperatura patrón. Se aproximó la relación entre ambas temperaturas con una recta de regresión de los mínimos cuadrados. A esta relación se le calculó el coeficiente de correlación para la termorresistencia y para el termistor. Para muestras linealmente dependientes, este valor es 1 e indica que todos los puntos se encuentran sobre una recta. En el caso del termistor se observó una mayor linealidad, debido a la previa escogencia del valor de R_O/R en aproximadamente 3,33. Esto garantiza que la salida del circuito sea lineal en el rango de 0 a 100 °C. En la tabla 3 se puede apreciar que ambos sistemas tienen un error de linealidad muy pequeño.

Gráfica 1. Rectas de regresión

Error de ganancia

Utilizando la recta de regresión se calcula el error de ganancia, que corresponde al aumento de la desviación de los datos obtenidos proporcional al aumento de la entrada de los sensores. El error es positivo en ambos casos, lo cual corresponde a un error más grande en la salida de los circuitos a medida que aumenta la temperatura.

Error de cero

El error de cero representa la desviación que presenta la salida de un sistema del cero en ausencia de entrada. Al introducir la termorresistencia y el termistor en el vaso con hielo y agua, se alcanzaron temperaturas muy bajas, pero no menos de 3 °C. Debido a esto, aún cuando la salida de ambos circuitos fue menor a 1 V, no fue posible medir el error en 0 °C y por esto se estimó a partir de la tendencia de las rectas de regresión de ambos circuitos.

Tabla 5. Error de Cero

ANALISIS DE ERRORES

Se puede decir que la mayoría de errores obtenidos se deben a las condiciones experimentales. En primer lugar, está la forma como median los sensores, ya que a pesar de estar cerca (no podian acercarse mucho para no hacer cortocircuitos) no se encontraban en el mismo punto y por lo tanto no tenian la misma temperatura por estar separadas por el aire que tiene una conductividad termica baja; por lo tanto, pequeños cambios en distancia marcan grandes cambios de temperatura. Otro factor importante es el tiempo de respuesta de cada sensor, ya que a pesar de esperar a que la temperatura se estabilice, a veces el tiempo no era el necesario y se observaba que a partir de la tercera o cuarta medida se encotnraba un valor más cercano al correcto.

Sin embargo, en esta práctica no se observaron grandes cambios en la histeresis, los valores resultantes con los valores ascendentes fueron muy arecidos a los valores obtenidos de manera descendente. Los errores de ganancia fueron pequeños para los 2 sensores. Para el error de cero fue donde se obtuvieron errores más grandes, con un caso grave en el RTC de más del 10%, mientras que para el NTC es del 4%. Cabe destacar que el menor error fue encontrado en el error de linealidad: en ambos casos es casi nulo, lo cual llama la atencion debido a la no linealidad característica termistor. Este error bajo de no linealidad, indica que el circuito de linealización del termistor funciono de manera adecuada.

CONCLUSIONES

En el caso del termistor se puede apreciar que el diseño presenta un comportamiento permisible. El circuito de linealización que utiliza una resistencia en paralelo al termistor, si bien mejora la linealidad de la salida del circuito, reduce su sensibilidad. Al colocar una resistencia en serie, se reduce el error de linealidad y no se desmejora la sensibilidad. Esto se pudo comprobar en el laboratorio, con el rápido cambio de voltaje en la salida del sistema y las oscilaciones antes de estabilizarse en un valor. En el caso de la termorresistencia, el mayor error de cero pudo deberse a la gran inercia que presenta debido a su masa. Además, en ambos circuitos se atribuye el efecto del error de cero al hecho de no utilizar resistencias de precisión, sino que tenían tolerancias mayores al 2 %. El circuito de un termistor en serie con una resistencia presentó el inconveniente de no tener una salida igual a 0 V con una entrada de 0 °C ya que le resistencia del termistor a esta temperatura es sólo diez veces mayor que R, por lo cual la salida del puente es de 1,36 V en cero grados. Esto se corrigió con un restador para eliminar este off-set.

El error de linealidad presente en la termorresistencia se corrigió con un puente de Wheatstone, donde el principal inconveniente fue el error de cero, ya que el puente no fue montado con 3 resistencias exactamente iguales y que, además, fuesen iguales al valor de resistencia de la RTD en 0 °C. La medición en el puente se realizó por deflexión, utilizando un amplificador de instrumentación. El circuito eficazmente corrigió el error de ganancia del puente.

RECOMENDACIONES

Se deben tomar en cuenta las tolerancias de las resistencias empleadas, y utilizar potenciómetros de precisión donde sea necesario realizar ajustes finos en la ganancia o en el off-set del amplificador. Se debe evitar el contacto entre los terminales de ambos dispositivos, para lo cual se puede utilizar cinta de poli-etileno. Además, el termistor requiere estar en una posición más o menos estable, ya que posee alta sensibilidad y varía muy rápidamente su salida si vibra o cambia de posición respecto a la fuente de calor. La termorresistencia no es recomendada para medir temperaturas que varíen muy rápidamente ya que, a pesar de ser más estable, necesita de varios segundos para estabilizarse en un valor de resistencia. Se debe evitar el contacto de los terminales con el agua ya que afecta directamente al voltaje de salida. Para esto se puede utilizar un recubrimiento aislante, como una capa fina de plástico.

TEMA V: SENSORES GENERADORES

1 Definición de sensores generadores.

Los sensores generadores son aquellos que, como su nombre lo indica, generan un voltaje dependiendo de la variable medida sin requerir alimentación. Es decir, no varían su impedancia como los sensores modulares, sino que funcionan como fuentes de voltaje. De igual manera se utilizan para medir variables como temperatura, presión, etc.

Entre sus principales desventajas están el ruido, las vibraciones y la presencia de dieléctricos o potenciales galvánicos. Sin embargo, el principal problema es el ruido, ya que tiene muchísimas fuentes de generación; por ejemplo, existen ruidos magnéticos, térmicos, mecánicos, eléctricos y sobretodo ruido que se produce por las radiaciones electromagnéticas que rodean el circuito.

2 Que es efecto reversible.

Un efecto reversible se refiere a una alteración que es asimilada por el entorno en forma medible. Su efecto es a medio plazo y contiene procesos naturales que pueden retornar a la situación anterior antes de producirse el efecto. Todos los sensores generadores se basan en procesos o efectos reversibles. Los efectos reversibles más importantes son el efecto Peltier y el efecto Thompson.

3 Que es efecto irreversible.

El efecto irreversible se refiere a la imposibilidad de retornar a la situación anterior a la acción que lo produce. No se refiere solo a imposibilidad, sino también a dificultad extrema de reversibilidad. Los sensores generadores no se basan en efecto irreversibles por las implicaciones que esto conlleva, no poder volver al punto anterior, repetir una medición bajo las mismas condiciones, etc. Sin embargo, existen efectos irreversibles que son una forma de perder energía sin poder recuperarla como el efecto Joule.

4 Que es efecto termoeléctrico.

El efecto termoeléctrico se refiere a la corriente eléctrica que se genera en la unión de dos metales distintos, la cual cambia dependiendo de la temperatura; es decir, si se tiene 2 uniones a distintas temperaturas se tendrá una corriente fluyendo por el circuito. El efecto termoeléctrico fue descubierto por Thomas J. Seebeck en 1822. La energía eléctrica (o potencial eléctrico) viene de la transformación de la energía térmica, resultando un valor distinto para cada material y temperatura.

La unión de 2 metales se denomina termopar. En honor a su descubridor, existe un coeficiente de Seebeck que se calcula con la relación de cambio entre la fuerza electromotriz y la temperatura en la unión, que depende de la temperatura y aumenta su valor proporcionalmente a esta.

 

5 Defina con texto y con gráficos el Efecto Peltier

Este efecto reversible fue descubierto por Jean Peltier en 1834 y se refiere al calor (cambio de temperatura) producido en la unión de 2 metales cuando una corriente eléctrica pasa por ella. El cambio de temperatura depende del sentido de la circulación de la corriente, es decir, en una misma unión, el valor absoluto del cambio de temperatura será el mismo para una misma corriente y su signo dependerá del sentido de la corriente, tal como lo muestra la figura. Como la relación es lineal, la multiplicación de la temperatura por el coeficiente de Seebeck da como resultado una constante denominada coeficiente de Peltier. El principal problema de este efecto, es el autocalentamiento de la unión, ya que se sabe que una unión produce una corriente a una temperatura y esa corriente a su vez produce un cambio de temperatura en su unión. Cabe destacar, que se diferencia del efecto Joule debido a su dependencia del sentido de la corriente, y el efecto Joule no la tiene por ser proporcional al cuadrado de la corriente.

 El pasaje de una corriente eléctrica I a través de una juntura A de dos conductores similares X e Y en una cierta dirección produce enfriamiento, Tc. Hay un calentamiento, Th , muy distinto al efecto Joule, cuando la corriente pasa por la juntura B

 

 

6 Defina con texto y con gráficos el Efecto Thompson

El Efecto Thompson es un efecto reversible descubierto por Lord Kelvin en 1851 y es la absorción o liberación homogénea de calor por medio de un conductor con temperatura no homogénea. Dependiendo de la corriente, y su sentido se aumenta o disminuye la cantidad de calor librado; es decir, si el calor aumenta con un sentido de corriente, al cambiar el sentido de corriente el calor debería liberarse en igual proporción. De esta manera se intercambia calor con el medio exterior.

 El calor liberado es proporcional a la corriente y por ello cambia el signo al hacerlo el sentido de la corriente. Se absorbe calor al fluir corriente del punto frío al más caliente y se libera cuando fluye del más caliente al más frío. En otras palabras, se absorbe calor si la corriente y el calor fluyen en direcciones opuestas y se libera calor si fluyen en la misma dirección. La diferencia fundamental entre los efectos Seebeck y Peltier con respecto al efecto Thomson es que éste último existe para un solo material y no necesita la existencia de una soldadura.

 

7 Defina con texto y con gráficos el Efecto Seebeck

El efecto Seebeck fue descubierto por Thomas Seebeck en 1821 y se refiere a la fuerza electromotriz producida por las temperaturas distintas de la unión de 2 metales, tal como muestra la figura.

 Suponiendo que ΔT = Th – Tc es establecido entre los puntos B y A, se desarrolla una fuerza electromotriz V0 entre T1 y T2. El coeficiente Seebeck descrito en la parte 4 ayuda a explicar este fenómeno. Es fácil ver que cuantitativamente un buen material termoeléctrico debe tener un alto coeficiente Seebeck, una alta conductividad eléctrica para minimizar el efecto Joule, y una baja conductividad térmica para reducir el calor transferido entre el origen del calor y el disipador. Lo que llamó la atención es que los semiconductores tienen un coeficiente Seebeck mucho mayor que los metales.

8 Tipos de Termopares.

 Los termopares se pueden fabrican muchos metales distintos (o aleaciones). Para evitar que se fabriquen termopares con todos los materiales distintos se logro estandarizar las uniones y se le coloco el nombre de una letra a cada uno.

Tipo J: HIERRO – CONSTANTANO   

En este tipo de junta el hierro es electropositivo y el constantano electronegativo. Mide entre -184 a 760 grados centígrados, con 50mV de diferencia en el margen.  Mide temperaturas altas ya que el hierro empieza a oxidarse a partir de los 700º C.  No se recomienda su uso en atmósfera donde exista oxigeno libre.  Tiene un costo muy bajo y esto permite que su utilización sea generalizada.

Tipo K: CHROMEL – ALUMEL

Una aleación de 90% de níquel y 10% de cromo (cromel) es el conductor positivo y un conductor compuesto de 94% de níquel, 2% de Aluminio, 3% de manganeso y 1% de Silicio (alumel) como elemento negativo. Este termopar puede medir temperaturas desde -184 hasta 1260º C, ya que el níquel lo hace resistente a la oxidación.  Se los utiliza con mucha frecuencia en los hornos de tratamientos térmicos. Su costo es alto y por eso no se utiliza con frecuencia. Varía 56 mV en el margen de medida.

Tipo T: COBRE – CONSTANTANO

Un alambre de cobre como conductor positivo y una aleación de 60% de cobre y 40% de níquel (constantan) como elemento conductor negativo.  Tiene un costo relativamente bajo, se utiliza especialmente para medir temperaturas bajo 0 °C, ya que el límite superior es de 400º C, ya que el cobre se oxida violentamente a partir de esa temperatura. Varía hasta 26 mV en el margen de medida.

Tipo R: PLATINO RODIO – PLATIN

Un alambre de platino como conductor negativo y una aleación de 87% de platino con 13% de sodio como conductor positivo. Este tipo de junta desarrollada con materiales de alta pureza son capaces de medir desde 0 hasta 1593º C. Cambia 18,7 mV en el rango. Son resistentes a la oxidación pero no se aconseja su aplicación en atmósferas reductoras por su fácilbcontaminación con el hidrógeno y nitrógeno que modifican la respuesta del instrumento.

Tipo S: PLATINO RODIO – PLATINO 

El conductor positivo es una aleación de 90% de platino y 10% de Rodio mientras que conductor negativo es un alambre de platino. Este tipo de junta desarrollada con materiales de alta pureza son capaces de medir desde 0 hasta 1538º C. Cambia 16 mV en el rango. Sin embargo, no puede usarse a temperaturas tan elevadas porque los metales no son de alta pureza produciendo alteraciones de la lectura a partir de los 1000º C.

Tipo E: CROMEL - CONSTANTANO 

El conductor positivo es una aleación de 90% de níquel y 10% de cromo mientras que conductor negativo es una aleación de 60% de cobre y 40% de níquel. Puede medir desde 0 hasta 982º C. Cambia 75 mV en el rango del margen de medida.

Tipo C: TUNSTENO – RENIO

Fue recientemente creado y no tiene datos normalizados de temperatura y mili voltajes.  Puede medir temperaturas de hasta 2300º C, el oxigeno y los cambios bruscos de temperaturas destruyen al termopar. Funcionan perfectamente en atmósferas reductoras e inertes si se los protege con funda cerámicas. Varian hasta 37 mV en el margen de medida.

MOLIBDENO – RENIO

Fue desarrollado recientemente y se utiliza para temperaturas inferiores a los 1650º C.  Se recomienda usarlos en atmósferas inertes, reductoras o vacío ya que el oxigeno destruye al termopar.

IRIDIO – IRIDIO RODIO

Puede medir como máximo 2.000 °C.  Su uso es recomendable en atmósferas  oxidantes que contienen oxigeno libre.  El Hidrógeno produce alteraciones permanentes en el  termopar, reduciendo además su vida útil. 

TUNGSTENO – TUNGSTENO RENIO           

Tiene igual utilización que el tungsteno – renio con la única diferencia que genera mayor mili voltaje por grado.  En la siguiente gráfica se muestra el mili voltaje generado por los termopares a diversas temperaturas de su junta caliente y con su junta fría a una temperatura de referencia de 32º F  o  0 °C.

9 Construcción de Termopares.

Un termopar es la unión de dos metales distintos unidos en sus extremos donde se crea una diferencia de potencial (en milivoltios) que depende de la temperatura. En un termopar, es necesario tener al menos 2 uniones para cerrar el circuito, de esta manera, una unión servirá para medir temperatura, y la otra será la temperatura de referencia. La unión puede hacerse por simple contacto o por medio de una soldadura; lo que si resulta importante es que dependiendo de los materiales y el entorno, el termopar puede estar descubierto o cubierto por una vaina como se muestra en la figura. Al colocarle una vaina al termopar este tendrá un mayor tiempo de respuesta, ya que se requiere que todo el encapsulado se caliente a la temperatura externa para obtener una medición correcta.

 

Los termopares deben contar con ciertas características importantes, además de ser robustos y resistentes, deben tener una precisión adecuada a la velocidad adecuada. Generalmente son más exactos que un RTD y tienen un mayor alcance. Para esto, además de utilizar metales, se utilizan aleaciones como las que se muestran a continuación:

Níquel (90)/Cromo(IO) -Cromel-;

Cobre(57)1Niquel(43);

Níquel(94 )1 Aluminio(2 )-Manganeso(3 )-S ilicio( I) -Alumel-

 Con respecto a las uniones, se puede soldar las puntas de los metales, poner uno junto al otro y trenzar los hilos como lo muestran las figuras a b y c. Con respecto al encapsulamiento, se pueden tener uniones desnudas, uniones aisladas (dentro de un encapsulado) y uniones con aislantes minerales (que aíslan eléctricamente pero conducen termicamente), como lo muestran las figuras d e y f.

 

 

 

 

 

 

 

 

10 Normas de aplicación práctica por los Termopares

Para el uso de termopares, existen 3 leyes que ayudan al análisis de los resultados obtenidos en los termopares, estas son: la ley de los circuitos homogéneos, la ley de los metales intermedios y la ley de las temperaturas sucesivas. A continuación se explica cada una de estas:

10 a Ley de los circuitos homogéneos 

Esta ley establece que a pesar de que se varíe la temperatura alrededor de un conductor, no es posible mantener una corriente por mucho tiempo de origen termoeléctrico. Es decir, en un termopar la temperatura de los cables, no afecta el resultado total del voltaje, ya que no se genera un voltaje por la adición de calor. Esto por esto que los cables de extensión pueden ser tan largos como sea necesario. Generalmente, debido al alto costo de los materiales del termopar, se utilizan cables de extensión de otro material que tampoco modifique el voltaje total de salida, a estos, se le denomina cables de compensación.

 

 

 

 

 

10 b Ley de los Metales Intermedios 

Un circuito cerrado formado por la unión de varios metales, no generará tensión si todas las uniones se encuentran a la misma temperatura. Por lo tanto, cortar un cable y colocar un pedazo de otro cable no genera una tensión si las 2 uniones están a la misma temperatura. Este es el principio que se utiliza para intercalar un multímetro en el circuito cerrado, ya que los 2 terminales de este se encuentran a las misma temperatura (temperatura ambiente). Por medio de esta ley es posible entonces encontrar la relación de 2 metales, tomando un tercero como referencia. En la actualidad, se toma como referencia al platino, y se tienen la tabla de potenciales generados para la mayoría de metales, por lo tanto si se quiere saber la relación de potenciales entre el cobre y el níquel, por ejemplo, se toma el potencial generado por el cobre y platino y se le resta el potencial generado por el níquel y el platino. Además de utilizar esta ley para fines teóricos, también se utiliza cuando se coloca el multímetro entre los 2 metales del termopar y no en un solo metal. No es necesario calcular los potenciales entre los terminales del multímetro y el termopar, ya que se encuentran a la misma temperatura, es más, ni siquiera es necesario conocer el material de los terminales del multímetro ya que esas 2 uniones se pueden reemplazar por una sola de los materiales del termopar.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10 c Ley de las temperaturas sucesivas o intermedias.

Esta ley establece que es posible obtener el voltaje total por medio de la suma algebraica de los fem que produce cada termopar, esto quiere decir, que al colocar varios termopares en serie, el voltaje total obtenido será una suma de todos los termopares parciales. De igual manera, si se colocan varios termopares en paralelo, el voltaje obtenido será un promedio de todos los voltajes de cada uno de los termopares. Gracias a esta ley, es posible utilizar otra temperatura de referencia que no sea 0 grados.

 

 

 

 

 

 

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

Al unir dos metales distintos, para cerrar el circuito es necesario volverlos a unir en otro punto. Ese otro punto de unión se denomina unión de referencia, y obviamente también genera un voltaje dependiendo de la temperatura. Para no alterar la medición de voltaje, la unión de referencia debe estar a cero grados centígrados, donde el voltaje generado es de 0 mV; para esto, se coloca la unión de referencia en hielo fundente como se indica en la siguiente figura. Sin embargo, mantener la unión de referencia en hielo conlleva gastos de mantenimiento, por lo que generalmente lo que se hace es tener la unión de referencia en temperatura ambiente, y utilizar métodos alternativos para contrarrestar el efecto de la temperatura ambiente. Es decir, la temperatura ambiente provoca errores en la medida, ya que agrega o resta voltaje del generado por el termopar, gracias a la otra unión de los metales que se encuentra a temperatura ambiente.

 

 

 

 

 

 

12 Compensación de la unión de referencia en circuitos de termopares.

En electrónica se suele utilizar otro sensor para medir la temperatura ambiente y con este, restarle el valor de temperatura a los milivoltios obtenidos del termopar. Por la ley de los metales intermedios las uniones a temperatura ambiente pueden hacerse por medio de los cables que van al multímetro, que generalmente son de cobre. La siguiente figura muestra la compensación electrónica, en donde T2 es el termopar que se forma por la unión con los terminales del multímetro y están a temperatura ambiente. El multímetro, internamente también debe tener un sensor de temperatura que generalmente es del tipo modulador, y está temperatura se convierte en voltaje dependiendo del termopar utilizado (por medio de una tabla) y se resta al valor obtenido de voltaje del termopar.

 

 

 

 

 

13 Explicación de la tabla estándar de termopares.'

La tabla estandar de termopares indica al voltaje que produce un determinado termopar a cada temperatura. Generalmente, las tablas que se encuentran son las termopares J K con una resolución de un grado centigrado. Estos, son valores calculados experimentalmente, y gracias a ellos es que se puede saber la temperatura despues de obtener el voltaje del termopar. La utilización de tablas viene principalmente debido a que es un proceso que no depende de una formula, o por lo menos no de una fácilmente utilizable. Para obtener la temperatura con mayor exactitud se pueden interpolar los datos cercanos al valor buscado, y por medio de aproximaciones de orden 1 se obtienene valores muy cercanos al real. A continuación se presenta un pequeño fragmento (de 0 a 100 grados centigrados) de un termopar de tipo J.

14 Sensores piezoeléctricos

El efecto piezoelectrico se refiere a la aparicion de una polarización eléctrica con la deformación de un material, generalmente se pone en evidencia cuando se somete el material a un esfuerzo. Todos los materiales ferroeléctricos son piezoeléctricos, y es un efecto reversible. Los materiales más comunes para sensores piezoelectricos son el cuarzo, la tumalina y ceraminas. Son muy eficientes gracias a su alta sensibilidad y muy bajo coste, pero su respuesta es alterna. Tambien se puede usar sensores piezoelectricos para medir temperatura y pueden medir hasta 700 C.

15 Sensores piroeléctricos

La piroelectricidad se refiere al cambio de polarizacion del material frente a cambios de temperatura, es un efecto analogo al piezoelectrico. Este efecto cobra importancia en materiales dielectricos, con polarizaciones espontaneas que cambian su valor dependiendo de la temperatura.Para este efecto se utilizan polimeros amorfos, y no existe mucha informacion ya que la investigacions comenzo a mediados del siglo XX. 

16 Sensores fotoeléctricos

Un Sensor fotoeléctrico está diseñado para detectar cambios en la luz que llega a él. Generalmente, se tiene un dispositivo emisor, y el receptor que funciona como sensor, se encarga de enfocar al emisor y “ver” si la luz puede llegar, o si llega distorsionada. Este tipo de sensor se utiliza para detectar movimiento o paso de un objeto, con lo cual se interrumpe el haz de luz. También puede verificarse la longitud de onda de la señal que llega con lo cual se pueden clasificar objetos, detectando colores y superficie. Gracias a la movilidad de estos sensores es posible detectar formas o su posición.