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.
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.
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