Sensores Digitales

La creciente presencia de sistemas digitales para el tratamiento y presentación de la información en los sistemas de medida y control, hace muy atractivos aquellos sensores que ofrecen directamente a su salida una señal en forma digital, por la simplificación que suponen en el acondicionamiento de señales y su mayor inmunidad a las interferencias electromagnéticas en determinados casos.Estos sensores ofrecen la medida en valores discretos, o sea codificada en un número determinado de bits. Los codificadores de posición son sensores digitales y pueden ser incrementales o absolutos.

1. Codificadores de posición

Los codificadores de posición: Solo veremos los incrementales y los absolutos.Son aquellos que ofrecen directamente una señal digital a partir de una entrada analógica. El nombre de codificador se debe a que en su estructura va implícito un sistema de codificación. Se dividen en dos:

Codificadores incrementales:
Un codificador incremental de rotación está formado por un disco con ranuras radiales ubicadas por lo general muy juntas en toda su circunferencia, o sino con líneas alternadas en color claro y oscuro, que giran frente a un fotosensor (o un conjunto de éstos, para más precisión), generando un pulso por cada ranura o cambio de color.

Un ejemplo típico de este tipo de codificadores se puede ver dentro de los mouses (ratones) de computadora: pequeños discos con ranuras en cada eje de movimiento. Un circuito lleva la cuenta de los pulsos, con lo que se puede conocer tanto el ángulo que se ha avanzado como la velocidad de giro (midiendo el tiempo entre pulsos). Estos codificadores son baratos pero no ofrecen una posición absoluta (como el potenciómetro), ya que el disco es igual en toda su circunferencia y no hay manera de saber dónde está ubicado (en qué ángulo absoluto) el eje. Habitualmente, se debe proveer al sistema de una manera de ubicarse en una posición cero, y de ahí en adelante contar pulsos hacia adelante o hacia atrás.

Ventajas:

a. Muy simple.
b. Se requiere de pocos recursos para su implementación.
c. No necesita dispositivos de alta tecnología.

Desventajas

a. La resolución está limitada por el número de marcas alternadas en el dispositivo codificador. En el caso de un disco utilizado como el mostrado en la figura, y utilizado para medir desplazamiento angular, la anchura entre marcas X expresada en función de la resolución (dada por el número de bits "n" sobre la rotación completa de la pieza "2*3.14r", donde "r" es el radio) es:

X= 2*3.14r/2^n

b. Como se requiere de un circuito que "cuente" las alternancias, un fallo eléctrico, ocasionará la pérdida de la información.

c. El circuito puede complicarse ante la necesidad de detectar el sentido de giro de la pieza.

Codificadores absolutos:
Los codificadores absolutos ópticos funcionan con un concepto similar al de los tipos incrementales, sólo que poseen un disco con un dibujo complejo, distribuido en anillos concéntricos que representan los bits de una palabra binaria. Deben tener un detector óptico por cada uno de estos anillos. Por ejemplo un disco con 8 anillos (como el de la figura), tendrá una resolución de 8 bits, o sea que podrá dividir su circunferencia en 256 porciones (más de 1 grado, si hablamos de ángulo). Un disco con más anillos concéntricos ofrecerá más bits de resolución y dará un dato de posición angular más preciso.

Por razones de precisión óptica, la codificación se suele hacer en una codificación llamada código Gray, que luego se traduce en el código binario estándar que utiliza una computadora para sus cuentas. Los sensores más utilizados en este caso son los ópticos, con zonas opacas y transparentes y en menor medida, los de contacto, con zonas conductoras y aislantes.
Se puede concluir que: 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, etc.

1.1 Construcción del codificador absoluto:
El tipo absoluto produce un código digital único para cada ángulo distinto del eje.

Se corta un patrón complejo en una hoja de metal y se pone en un disco aislador, que está fijado al eje. También se coloca una fila de contactos deslizantes a lo largo del radio del disco. Mientras que el disco rota con el eje, algunos de los contactos tocan el metal, mientras que otros caen en los huecos donde se ha cortado el metal. La hoja de metal está conectada con una fuente de corriente eléctrica, y cada contacto está conectado con un sensor eléctrico separado. Se diseña el patrón de metal de tal forma que cada posición posible del eje cree un código binario único en el cual algunos de los contactos esté conectado con la fuente de corriente (es decir encendido) y otros no (apagados). Este código se puede leer por un dispositivo controlador, tal como un microprocesador, para determinar el ángulo del eje.

2. 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.

Sensores Resonadores de Cuarzo
Estos sensores están basados en una frecuencia de oscilación alta, se basan en la variación que sufre ésta ante una deformación del cristal, para un elemento con electrodos metálicos depositados en dos de sus caras, en la figura 4 se muestra el circuito eléctrico equivalente de un sensor de cuarzo resonante. En ésta, Lm viene determinada por la masa del cristal, Cm por la elasticidad mecánica, Rm por la fricción interna (que se traduce en una disipación de calor) y Co es la capacidad del soporte del cristal en paralelo con la de los electrodos metálicos, con el material piezoeléctrico como dieléctrico. La presencia de un circuito resonante permite emplear dicho elemento como base de un oscilador.

Dado que el cuarzo es inerte, si se emplea un monocristal de gran pureza la estabilidad de la resonancia mecánica a largo plazo es muy alta. La estabilidad a corto plazo depende del factor de calidad Q (alta rigidez, poca histéresis) y la inductancia equivalente, que son muy elevados. Una estabilidad a corto piazo elevada permite diseñar sensores de alta resolución, mientras que una gran estabilidad a largo plazo significa que se necesitarán menos recalibraciones.Existen diversos tipos de sensores resonantes clasificándose según la variable física a medir:

* Termómetros Digitales de Cuarzo
* Microbalanzas de cuarzo
* Sensores de gas resonante
* Sensores de fuerza y presión basados en resonadores de cuarzo

Caudalimetro de Vórtice
El principio del caudalimetro de vértice esta basado en la medición de la frecuencia de generación de vórtices por un obstáculo insertado en el flujo, cuya frecuencia es proporcional a la velocidad media, en un campo dado de número de Reynolds.
Aunque existan muchos dispositivos de este tipo, experiencia con este metodo de medida de caudal es limitada y este método solamente se puede utilizar con precaución. Por ejemplo, cualquier vibración de la conducción es capaz de alterar la frecuencia medida y por lo tanto debe ser evitada.

Sistema de acondicionamiento
Un circuito básico oscilador resonante serie, utiliza un cristal que está diseñado para oscilar en su frecuencia resonante serie natural. En éste circuito no hay capacitores en la realimentación Los circuitos resonantes serie son usados por la baja cantidad de componentes que se utilizan, pero estos circuitos pueden tener componentes parásitos que intervienen en la realimentación. y en el caso que el cristal deje de funcionar oscilarán a una frecuencia impredecible.Un 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. Un circuito básico se muestra a continuación.

3. Otros metodos de deteccion

Como se mencionó en un principio, los otros métodos de detección se basan en técnicas no descritas en los apartados anteriores, pero, aunque no necesariamente representan sensores digitales, deben ser comentados.

3.1 Basados en uniones semiconductoras

Este tipo de sensores, como dice su nombre, está basado en uniones P-N.Ya en temas anteriores se han vistos sensores basados en materiales semiconductores, como los termistores, efecto Hall, etc.Ahora se verán algunos adicionales que no entran en la clasificación anterior.La ventaja de atacar este tipo de dispositivos es el coste reducido que representan y la posibilidad de integrarlos dentro de un sistema mas complejo.

a. Termómetros.

Los termómetros basados en diodos semiconductores es la aplicación más simple de las uniones semiconductoras en sensores. Como todos sabéis, los diodos semiconductores, al igual que todos los materiales semiconductores, dependen de la temperatura.

b. Fotodiodos y fototransistores.

La celda fotoeléctrica es un ejemplo de sensor basado en uniones semiconductoras. Si se quiere detectar el color de la luz se suelen usar filtros previo a la señal que le llega. Y el color se determina midiendo la corriente generada.

3.2 Basados em ultrasonicos

Construcción y circuito de acondicionamiento
El ultrasonido se define como ondas de sonido de alta frecuencia que están por encima del rango de percepción humana. El punto más bajo es generalmente 20kHz y el superior ya está en el rango del megahertz. Los seres humanos son capaces de detectar sonidos en el rango de 20Hz a 20kHz. Los instrumentos portátiles que miden la intensidad del ultrasonido transportado en el aire o por medio de una estructura cubren frecuencias desde 20 kHz hasta 100 kHz.

El método generalizado para detectar fugas es sencillo. Un inspector con un instrumento de ultrasonido escanea un área y busca un sonido diferente que se acelera. Con ajustes continuos del control de volumen se sigue el sonido de la fuga hasta que se escucha el punto más alto. Enel rango ultrasónico, el inspector es capaz de discriminar entre ruidos de fondo irrelevantes y la señal de la fuga. Alqunos instrumentos incluyen una sonda focalizadora de hule que estrecha el área de recepción. Estas sondas protegen contra ultrasonidos competitivos y ayudan a localizar la ubicación de fugas pequeñas. La gran ventaja de la detección por ultrasonido es que puede usarse en diferentes ambientes, pues es sensible al sonido y no específica para cada gas. Cuando ocurre una fuga, el fluido (líquido o gas) se mueve desde el lado de alta presión a través del agujero al lado de baja presión de la fuga, donde se expande rápidamente y produce un flujo turbulento. Esta turbulencia tiene fuertes componentes ultrasónicos que son detectados por el instrumento. La intensidad de la señal de ultrasonido cae rápidamente desde la fuente, lo cual permite localizar exactamente el sitio de la fuga.

Para sistemas fuera de servicio, una prueba especializada, denominada una prueba de tono, emplea un transmisor ultrasónico para producir una fuente de sonidos ultrasónicos. La prueba se lleva a cabo colocando un transmisor adentro, o en un lado de la pieza del equipo a inspeccionar. Una señal vibratoria viaja por toda la pieza y penetra cualquier sitio de fuga existente. Un escaneado para penetración sónica usa un instrumento de ultrasonido y localiza la fuga. Esta prueba es especialmente apta para intercambiadores de calor.

3.3 Basados en fibras ópticas

Construcción y circuito de acondicionamiento.Los sensores de Fibra Optica están formados por un amplificador que contiene el del emisor y el receptor, y un cable de fibra óptica que transmite y recibe la luz reflejada por el objeto a detectar. Las características y presentaciones dependen mucho del fabricante. Así como en las Fotocélulas, la evolución tecnológica no se ha hecho muy patente, en los sensores de Fibra Optica se ha notado una evolución en los últimos años muy importante.Un filamento de vidrio sumamente delgado y flexible (de 2 a 125 micrones) capaz de conducir rayo ópticos (señales en base a la transmisión de luz). Las fibras ópticas poseen capacidades de transmisión enormes, del orden de miles de millones de bits por segundo. Se utilizan varias clases de vidrios y plásticos para su construcción.Una fibra es un conductor óptico de forma cilíndrica que consta del núcleo (core), un recubrimiento (clading) que tienen propiedades ópticas diferentes de las del núcleo y la cubierta exterior (jacket) que absorbe los rayos ópticos y sirve para proteger al conductor del medio ambiente así como darle resistencia mecánica. Además, y a diferencia de los pulsos electrónicos, los impulsos luminosos no son afectados por interferencias causadas por la radiación aleatoria del ambiente.Cuando las compañías telefónicas reemplacen finalmente los cables de cobre de sus estaciones centrales e instalaciones domiciliarias con fibras ópticas, estarán disponibles de modo interactivo una amplia variedad de servicios de información para el consumidor, incluyendo la T.V. de alta definición.Cada una de las fibras ópticas, puede transportar miles de conversaciones simultáneas de voz digitalizada. Los sensores de Fibra Optica están formados por un amplificador que contiene el del emisor y el receptor, y un cable de fibra óptica que transmite y recibe la luz reflejada por el objeto a detectar.Las características y presentaciones dependen mucho del fabricante. Así como en las Fotocélulas, la evolución tecnológica no se ha hecho muy patente, en los sensores de Fibra Optica se ha notado una evolución en los últimos años muy importante.

Ventajas De La Fibra Óptica
Capacidad de transmisión: La idea de que la velocidad de transmisión depende principalmente del medio utilizado, se conservo hasta el advenimiento de las fibras ópticas, ya que ellas pueden transmitir a velocidades mucho más altas de lo que los emisores y transmisores actuales lo permiten, por lo tanto, son estos dos elementos los que limitan la velocidad de transmisión.
*Mayor capacidad debido al ancho de banda mayor disponible en frecuencias ópticas.

*Inmunidad a transmisiones cruzadas entre cables, causadas por inducción magnética.
*Inmunidad a interferencia estática debida a las fuentes de ruido.
*Resistencia a extremos ambientales. Son menos afectadas por líquidos corrosivos, gases y variaciones de temperatura.
* La seguridad en cuanto a instalación y mantenimiento. Las fibras de vidrio y los plásticos no son conductores de electricidad, se pueden usar cerca de líquidos y gases volátiles.

Parámetros De Una Fibra Óptica
Existen varios parámetros que caracterizan a una fibra óptica. Se habla de parámetros estructurales y de transmisión establecen las condiciones en las que se pueden realizar la transmisión de información.Entre los parámetros estructurales se encuentra:
*El perfil de índice de refracción.
*El diámetro del núcleo.
*La apertura numérica.
*Longitud de onda de corte.

En cuanto a los parámetros de transmisión se tiene:
*Atenuación.
*Ancho de banda.

Sensores Generadores

1. Sensores Generadores
Se consideran sensores generadores aquellos que generan una señal eléctrica, a partir de la magnitud que miden, sin necesidad de una alimentación.
Ofrecen una alternativa para medir muchas de las magnitudes ordinarias, sobre todo temperatura, fuerza y magnitudes afines. Pero, además, dado que se basan en efectos reversibles, están relacionados con diversos tipos de accionadores o aplicaciones inversas en general. Es decir, se pueden emplear para la generación de acciones no eléctricas a partir de señales eléctricas.

1.1 Efecto Reversible
Se basa en la aparición 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.

1.2 Efecto Irreversible
Se basa en la aparición 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.

1.3 Efecto Termoeléctrico
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. Los sensores que utilizan este efecto se llaman sensores termoeléctricos o también son llamados termopares.

1.4 Efecto Seebeck
Históricamente fue primero Thomas J. Seebeck quién descubrió, en 1822, que en un circuito de dos materiales distintos homogéneos, A y B, con dos uniones a diferente temperatura, aparece una corriente eléctrica. Es decir, hay una conversión de energía térmica a energía eléctrica, o bien, si se abre el circuito, una fuerza termoelectromotriz (f.t.e.m.) 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.

Efecto Seebeck en un termopar: aparece una corriente cuando hay dos uniones a distintas temperatura.

La relación entre la f.t.e.m., EAB, y la diferencia de temperatura entre las uniones, T, define el coeficiente Seebeck, SAB :
Donde SA y SB son, respectivamente, la potencia termoeléctrica absoluta de A y B. En general, SAB no es constante sino que depende de T, y suele crecer al aumentar T. Es importante notar que mientras la corriente que circula por el circuito depende de la resistencia de los conductores, en cambio la f.t.e.m. no depende ni de la resistividad, ni de la sección, ni distribución o gradiente de temperatura. Depende sólo de la diferencia de temperatura entre las uniones y de la naturaleza de los metales. Esta fuerza electromotriz se debe al efecto Peltier y al efecto Thompson.


1.5 Efecto Peltier
Descubierto por Jean C. A. Peltier en 1834, consiste en el calentamiento o enfriamiento de una unión entre dos metales distintos al pasar corriente por ella. Al invertir el sentido de la corriente, se invierte también el sentido del flujo de calor. Es decir, si una unión antes se calentaba (cedía calor), al cambiar el sentido de la corriente se enfría (absorbe calor), y si primero se enfriaba, ahora se calienta. Este efecto es reversible e independiente del contacto, es decir, de la forma y dimensiones de los conductores. Depende sólo de su composición y de la temperatura de la unión. Esta dependencia resulta ser lineal y viene descripta por el coeficiente de Peltier, π que por tener dimensiones de tensión se llama a veces “tensión Peltier”. Se define como el calor generado en la unión entre A y B por unidad de corriente (de carga positiva) que circula de B a A.

Para una unión a temperatura absoluta T, se demuestra que:

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

El hecho de que el calor intercambiado por unidad de superficie de la unión sea proporcional a la corriente y no a su cuadrado de la corriente, y no cambia al hacerlo su dirección.
El efecto Peltier es también independiente del origen de la corriente, que puede ser, incluso de origen termoeléctrico, como en la figura 4.1a. En este caso las uniones alcanzan una temperatura distinta a la del ambiente, y ello puede ser una fuente de errores.


1.6 Efecto Thompson
Descubierto por William Thompson (Lord Kelvin) en 1847-54, consiste en la absorción o liberación de calor por parte de un conductor homogéneo con temperatura no homogénea por el que circule una corriente (figura 4.3). El calor liberado es proporcional a la corriente, no a su cuadrado, y, por ello cambia de signo al hacerlo el sentido de la corriente. Se absorbe calor al fluir corriente del punto más 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. El flujo neto de calor por unidad de volumen, q, en un conductor de resistividad r, con un gradiente longitudinal de temperatura, dT/dx, por el que circula una densidad de corriente y, será:

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

donde σ es el denominado coeficiente Thompson. El primer término es la expresión del efecto Joule, irreversible, mientras que el segundo expresa el efecto Thompson.
Si la corriente que circula por el circuito es suficientemente pequeña para poder despreciar el efecto Joule, se pueden considerar exclusivamente los efectos termoeléctricos reversibles. En este caso, la energía termoelectromotriz producida, (dEAB /dT) ΔT, debe coincidir con la energía térmica neta transformada. Con una temperatura T + ΔT en una unión y T en la otra, el calor absorbido en la unión caliente es πAB (T + ΔT), mientras que el calor liberado en la unión fría es – πAB (T). Por efecto Thompson, se libera en A un calor - σB (ΔT). El balance energético es así:

Dividiendo ambos términos por ΔT y pasando al límite cuando ΔT tiende a 0, resulta:

De esta fórmula podemos concluir que el efecto Seebeck es, de hecho, el resultado de los efectos Peltier y Thompson, y expresa el teorema fundamental de la termoelectricidad.

Si en un circuito se mantiene una unión a temperatura constante (unión de referencia), la f.t.e.m. será función de la temperatura a que esté sometida la otra unión, que se denomina unión de medida. Los valores correspondientes a la tensión obtenida con determinados termopares, en función de la temperatura de esta unión cuando la otra se mantiene a 0°C, están tabulados. El circuito equivalente es una fuente de tensión con una resistencia de salida distinta en cada rama (la de cada metal).

1.7 Tipo 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 atmósfera 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 protección frente al ambiente se logra mediante una capsula, normalmente de acero inoxidable. La velocidad de respuesta y la robustez de la sonda vendrán afectadas por el espesor de dicha vaina. El silicio y el germanio presentan también propiedades termoeléctricas, si bien hasta ahora han encontrado más aplicación como refrigeradores (elementos Peltier) que como temopares de medida. En el cuadro se recogen las características de algunos de los termopares más comunes y su designación de acuerdo con las normas ANSI.
Para medir la temperatura de superficies, hay modelos fabricados con tecnología de capa fina.

Termopares más comunes

Los termopares J son versátiles y de bajo coste. Se pueden emplear en atmósferas oxidantes y reductoras. Se aplican a menudo en hornos de combustión abiertos a la atmósfera. Los termopares K se emplean en atmósferas no reductoras y, en su margen de medida, son mejores que los de tipo E, J y T cuando se trata de medir en atmósfera oxidantes. Los termopares T resisten la corrosión, de modo que se pueden emplear en atmósferas de alta humedad. Los termopares E son los de mayor sensibilidad y resisten la corrosión por debajo de 0°C y las atmósferas oxidantes. Los termopares N resisten la oxidación y ofrecen mejor estabilidad a altas temperaturas. Los termopares con metales nobles (B, R y S) tienen muy alta resistencia a la oxidación y a la corrosión.

Los tipos de termopares los podemos identificar con un código de colores, el cual varia dependiendo del país del fabricante

2. Construcción de termopares

Según la aplicación, se dispone de distintos tipos de uniones:

Distintos tipos de uniones de termopar y sus vainas.

a) unión soldada en extremos
b) unión soldada en paralelo
c) hilo trenzado
d) termopar expuesto: respuesta rápida
e) termopar encapsulado: aislamiento eléctrico y ambiental
f) termopar unido a la cubierta: aislamiento ambiental

Las uniones desnudas se emplean para medidas estáticas, pero son frágiles, o de flujos de gases no corrosivos donde se requiere un tiempo de respuesta rápido. Las uniones aisladas se emplean para medir en ambientes corrosivos donde además interese aislamiento eléctrico del termopar. Éste queda entonces encerrado por la vaina y aislado de ésta por un buen conductor térmico como el aceite, mercurio o polvo metálico. Si se desea respuesta rápida y no hace falta una vaina gruesa. se emplean aislantes minerales como polvo de MgO, Al2 O3 o BeO. Según el grado de compactación del aislante, la respuesta final es más o menos lenta y la temperatura máxima soportada es también distinta. Los termopares aislados también se aplican en medidas a alta presión.
Mediante uniones puestas a masa, se pueden medir temperaturas estáticas o de flujos de gases o líquidos corrosivos y, como la unión está soldada a la vaina protectora, la respuesta térmica es más rápida. Pero si la masa es ruidosa, no sirve y hay que aislar térmicamente el termopar. Además, la mayor masa del sensor implica un mayor error por conducción térmica.


3. Normas de aplicación práctica para los termopares

3.1 Ley de los circuitos homogéneos
La medición de temperaturas mediante termopares, además de las ventajas e inconvenientes expuestos anteriormente, está sujeta a una serie 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 se presenta el significado de esta ley. En la figura las temperaturas T3 y T4 no cambian la f.t.e.m. debida a T1 y T2. En particular, si T1= T2 y se calientan A o B, no fluye corriente alguna. En otras palabras, las temperaturas intermedias a que pueda estar sometido cada conductor no alteran la f.t.em debida a una determinada diferencia de temperatura entre las uniones (figura 4.6b). 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. Se emplean los denominados cables de compensación, los cuales son de metales que, siendo más económicos que los del termopar, no presentan f.t.e.m. significativas. Son, sin embargo, de 3 a 4 veces más caros que los cables de cobre.


3.2 Ley de los metales intermedios
La suma algebraica de las f.t.e.m. en n circuito compuesto de un número cualquiera de metales distintos es cero si todo el circuito está a una temperatura uniforme. Esto significa que se puede intercalar un instrumento de medida sin añadir errores, siempre y cuando las nuevas uniones estén a la misma temperatura.

El instrumento se puede intercalar en un conductor o un una unión. En el siguiente cuadro se dan las fuerzas termoelectromotrices de diversos metales y aleaciones respecto al cobre, que es el elemento de conexión más común en circuitos electrónicos. El elevado valor correspondiente al óxido de cobre indica claramente la necesidad de mantener los contactos limpios.

Un corolario de esta ley es 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 la f.t.e.m. detectada con una par determinado. Basta con conocer su comportamiento con un tercero. Se ha convenido en tomar el platino como referencia.


3.3 Ley de las temperaturas sucesivas o intermedias
Si dos metales homogéneos distintos producen una f.t.e.m E1 cuando las uniones están a T1 y T2 y una f.t.e.m E2 cuando las uniones están a T2 y T3 la f.t.e.m. cuando las uniones estén a T1 y T2 será E1 + E2. Esto significa, por ejemplo, que la unión de referencia no tiene por qué estar a 0°C sino que puede usarse otra temperatura de referencia.

Aplicando las leyes anteriores se pueden analizar fácilmente circuitos como los de la siguiente figura. En el caso a se trata de la conexión serie de varios termopares, constituyendo una termopila. Es fácil comprobar que aumenta la sensibilidad respecto al caso de un solo termopar. En el caso b la conexión es un paralelo, y se detecta la temperatura media si todos los termopares son lineales en el margen de medida y tienen la misma resistencia.

Conexión de termopares en serie. Conexión de termopares en paralelo.

4. 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.


5. Compensación de la unión de referencia en circuitos de termopares
Para aplicar el efecto Seebeck a la medida de temperaturas, 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.

Medida de temperatura con dos uniones a temperatura constante, basada en hilos
de conexión de metales comunes.

La solución de la figura anterior permite emplear un hilo de conexión más económico (cobre), si bien sigue siendo una solución cara por la necesidad de mantener una temperatura de referencia constante. Si el margen de variación de la temperatura ambiente es menor que la resolución deseada, puede dejarse la unión de referencia simplemente al aire. En caso contrario, se emplea la denominada compensación electrónica de la unión de referencia. Se procede de la siguiente forma:

Compensación electrónica de la unión de referencia en un circuito de termopares: se miden las variaciones de temperatura ambiente con otro sensor y se suma una tensión igual a la generada en la unión fría.

consiste en dejar que la unión de referencia sufra las variaciones de la temperatura ambiente, pero éstas se detectan con otro sensor de temperatura, dispuesto en la vecindad de la unión de referencia, y se suma una tensión igual a la generada en la unión fría. La tensión de alimentación del puente debe ser estable y puede ser, por ejemplo, la de una pila de mercurio o la de un generador electrónico de una tensión de e referencia estable. Hay circuitos integrados que miden la temperatura ambiente y ofrecen una tensión de compensación para distintos termopares. El LT1025 se puede aplicar a termopares E, J, D, R, S y T. Los AD594 y AD595 integran, además de la compensación (para termopares J y K, respectivamente), un amplificador de instrumentación.



6. Explicación de la tabla estándar de termopares

Anexo de la tabla del termopar tipo J

Pasos a seguir para la utilización de las tablas:

Medir con el voltímetro el voltaje que entrega la termocupla.
Ahora ver en una tabla de termocuplas a que temperatura corresponde el voltaje.
Sumarle a esta temperatura encontrada en la tabla, la temperatura de ambiente (temperatura del contacto de las puntas del voltímetro con los cables de la termocupla) para hacer la compensación de cero.

Por ejemplo:

Se mide en una termocupla J un voltaje de 10.84 mV.
En la tabla de termocupla J se encuentra que para 10.84 mV, lo mas aproximado es 10.832 mV que corresponden a 201 °C . Si la temperatura de ambiente en los contactos es 25 °C aprox, entonces la temperatura medida es 226°C ( 25°C + 201°C ) La diferencia obtenida con los mismo valores para ambos procedimientos es mucho mayor en el caso de termocuplas B, S y R

7. SENSORES PIEZOELÉCTRICOS

7.1 Efecto piezoeléctrico
El efecto piezoeléctrico consiste en la aparición de una polarización eléctrica en un material al deformarse bajo la acción de un esfuerzo. Es un efecto reversible de modo que al aplicar una diferencia de potencial eléctrico entre dos caras de un material piezoeléctrico, aparece una deformación. Ambos efectos fueron descubiertos por Jacques y Pierre Curie en 1880.
Todos los materiales ferroeléctricos son piezoeléctricos, pero no al revés. Mientras la piezoelectricidad está relacionada con la estructura cristalina (iónica), el ferromagnetismo está relacionado con el espín de los electrones.

7.2 Materiales piezoeléctricos
Las propiedades piezoeléctricas se manifiestan en 20 de las 32 clases cristalográficas, aunque en la práctica se usan sólo unas pocas, y también en materiales amorfos ferroeléctricos. De aquellas 20 clases, sólo 10 tienen propiedades ferroeléctricas.
En cualquier caso, todos los materiales piezoeléctricos son necesariamente anisótropos. En la siguiente figura se muestra por qué debe ser así. En el caso a hay simetría central, y al aplicar un esfuerzo no aparece polarización eléctrica. En el caso b, en cambio, aparece una polarización paralela al esfuerzo, mientras que en el caso c aparece una polarización en dirección perpendicular al esfuerzo.Entre los materiales piezoeléctricos naturales, los de uso más frecuente son el cuarzo y la turmalina. De las sustancias sintéticas, las que han encontrado mayor aplicación no son monocristalinas sino cerámicas. En ellas hay muchos monocristales pequeños (del orden de 1 μm), con una gran compacidad.

Efectos de un esfuerzo mecánico en diferentes moléculas según su simetría.
a) si hay simetría central no se produce polarización.
b) Polarización paralela al esfuerzo.


Estas cerámicas son ferroeléctricas y para orientar los monocristales por igual (polarizarlos) se someten a un campo eléctrico durante su fabricación. La diferencia de potencial aplicada depende del espesor, pero se crean campos del orden de 10 kV/cm, cuando están un poco por encima de la temperatura de Curie (a temperaturas más altas son demasiado conductoras). Luego se enfrían manteniendo aplicado el potencial. Al cesar éste, los monocristales no se pueden desordenar totalmente de nuevo debido a las tensiones mecánicas acumuladas, y queda una polarización remanente.
Las cerámicas piezoeléctricas tienen gran estabilidad térmica y física, pueden fabricarse en muy distintas formas y con un amplio margen de valores en las propiedades de interés (constante dieléctrica, coeficiente piezoeléctricos, temperatura de Curie, etc. ). Su principal desventaja es la sensibilidad térmica de sus parámetros y su susceptibilidad a envejecer (pérdida de propiedades piezoeléctricas) si su temperatura se acerca a la de Curie. Las más empleadas son los titanatos -circo-natos de plomo (PZT), el titanato de bario y el metaniobato de plomo.
Algunos polímeros que carecen de simetría central también presentan propiedades piezoeléctricas de magnitud suficiente para que tengan interés en diversas aplicaciones, donde, por la forma y tamaños necesarios, sería imposible utilizar otros sólidos. El fluoruro de polivinilideno (PVF2 o PVDF) es el más conocido. Su coeficiente piezoeléctrico de tensión es unas cuatro veces mayor que el del cuarzo.
Para mejorar las propiedades mecánicas de los sensores piezoeléctricos, en particular su impedancia acústica, se emplean los denominados “composites” piezoeléctricos, que son sistemas heterogéneos de dos o más frases diferentes de las que al menos una es activa piezoeléctricamente. En el cuadro 4.5 se resumen las principales propiedades de algunos materiales piezoeléctricos de uso común.


7.3 Desventajas

En primer lugar, la resistencia eléctrica que presentan los materiales piezoeléctricos, si bien es muy grande en algunos casos, nunca es realmente infinita, por lo que al aplicar un esfuerzo constante se generará inicialmente una carga que inevitablemente será drenada al cabo de un cierto tiempo. Por lo tanto, no hay respuesta en contínua.

Un aspecto adicional de la respuesta frecuencial es que presenta un pico de resonancia muy fuerte, pues al aplicarles un esfuerzo mecánico variable la única fuente de amortiguamiento es el propio rozamiento interno en el material. Esto obliga a trabajar siempre a frecuencias muy por debajo de la frecuencia de resonancia mecánica. La respuesta es de segundo orden (subamortiguada), por lo que la sensibilidad es mucho mayor a la frecuencia de resonancia que a frecuencias inferiores. En consecuencia, hay que filtrar la salida del sensor para no saturar el amplicador. La banda con respuesta plana depende de la sensibilidad, pero en ningún caso hay respuestas en continua.

Otra limitación es que los coeficientes piezoeléctricos son sensibles a la temperatura, y, además, por encima de la temperatura de Curie todos los materiales dejan de ser piezoeléctricos. Esta temperatura es característica de cada material, y a veces es inferior incluso a las temperaturas propias de muchos ambientes industriales.

Algunos materiales que presentan efecto piezoeléctrico son delicuescentes, por lo que no son apropiados para sensores.

La impedancia de salida que presentan los materiales piezoeléctricos es alta (condensador muy pequeño con alta resistencia de fugas), o lo que para medir la señal generada hay que emplear amplificadores electrométricos o de carga. Algunos sensores incorporan ya el amplificador, pero esto limita el margen de temperaturas de utilización al que sea tolerable por los componentes electrónicos.


7.4 Ventajas

Presenta una alta sensibilidad, obtenida muchas veces con bajo coste.

Cabe señalar su alta rigidez mecánica, pues las deformaciones experimentadas son inferiores a 1 μm. Esta alta impedancia mecánica es muy conveniente para la medida de variables esfuerzo (fuerza, presión). La alta rigidez confiere un margen de frecuencias de medida elevado. Su pequeño tamaño (puede ser inferior a 1 mm) y la posibilidad de tener dispositivos con sensibilidad unidireccional, son también cualidades de interés en muchas aplicaciones y en particular en la medida de vibraciones.


8. SENSORES PIROELÉCTRICOS

8.1 Efecto Piroeléctrico
El efecto piroeléctrico es análogo al piezoeléctrico, pero en lugar de la aparición de cargas eléctricas cuando se deforma un material, aquí se trata de la aparición de cargas superficiales en una dirección determinada cuando el material experimenta un cambio de temperatura. Estas cargas son debidas al cambio de su polarización espontánea al variar la temperatura. Recibió este nombre de D. Brewster en 1824, pero es conocido desde hace más de 2000 años.
Si el cambio de temperatura, ΔT, es uniforme en todo el material, el efecto piroeléctrico se describe mediante el coeficiente piroeléctrico, p, que es un vector, de la forma:

donde P es la polarización espontánea.

Este efecto se aplica sobre todo a la detección de radiación térmica a temperatura ambiente. Para ello se disponen dos electrodos metálicos en dirección perpendicular a la de polarización, formándose un condensador que actúa como sensor térmico. Cuando el detector absorbe radiación cambia su temperatura y con ella su polarización, produciendo una carga superficial en las placas del condensador.
Si el área donde incide la radiación es A y el grosor del detector, b, es suficientemente pequeño para poder suponer que los gradientes de temperatura en él son despreciables, la carga inducida será:

Por ende, la tencion obtenida será:

Cuando la radiación incidente es pulsante y tiene una potencia Pi, la tensión obtenida en el condensador es:

Sustituyendo se obtiene:

donde:
α es la fracción de la potencia incidente que se convierte en calor
p es el coeficiente piroeléctrico del material
τ es la constante de tiempo térmica
CE es el calor específico volumétrico
ε es la constante dieléctrica
ω es la pulsación de la radiación incidente

Si la corriente de cortocircuito es:

Donde:

8.2 Materiales piroeléctricos
Dado que la piroelectricidad, al igual que la piezoelectricidad, se basa en la anisotropía de los cristales, muchos materiales piezoeléctricos son también piroeléctricos. De las 21 clases cristalográficas no centrosimétricas, 10 tienen eje polar de simetría. Todas éstas son ripoeléctricas.
Hay dos grupos de materiales piroeléctricos: los lineales y los ferroeléctricos. En los primeros, la polarización no se puede cambiar a base de invertir el sentido del campo eléctrico. Están en este grupo, entre otros, la turmalina, el sulfato de litio, y los sulfuros de cadmio y selenio. Entre los ferroeléctricos están el tantalato de litio, el niobato de estroncio y bario, el titanato-circonato de plomo y el sulfato de triglicina (TGS). Aparte están los polímeros como el polivinilideno (PVF2 o PVDF).
Las propiedades piroeléctricas desaparecen también cuando se alcanza la temperatura de Curie. En las cerámicas ferroeléctricas, la polarización se induce durante la fabricación.
El material piroeléctrico ideal debería tener simultáneamente alto coeficiente piroeléctrico, bajo calor específico volumétrico y baja permitividad.

8.3 Radiación: leyes de Planck, Wien y Stefan-Boltzmann
Parte del interés de los sensores piroeléctricos radica en que la temperatura que alcanzan puede ser el resultado de la absorción de la energía emitida por un cuerpo cuya temperatura superficial, u otras características, sean objeto de estudio. Otros sensores como los termopares, termistores, RTD, fotoconductores, etc., se pueden aplicar también a este tipo de medidas.
Todo cuerpo a temperatura distinta de 0 K radia energía electromagnética en cantidad dependiente de su temperatura y de sus propiedades físicas.
Para estudiar la emisión de energía radiante por parte de un cuerpo, conviene considerar primero su absorción. De la energía radiante que recibe un cuerpo, parte se refleja, parte se difunde en todas direcciones, parte se absorbe y parte se transmite (atraviesa el cuerpo).
A cualquier temperatura, todo cuerpo emite radiación y absorbe la procedente de los cuerpos que le rodean. Si no están todos a la misma temperatura, los más calientes se enfrían y los más fríos se calientan, de modo que basta con la radiación para que se establezca el equilibrio térmico (no hace falta ni conducción ni convección).
Cuando se alcanza el equilibrio, todos los cuerpos emiten tanta radiación como absorben. Por lo tanto, los cuerpos que más emiten son los que más absorben y, en consecuencia, el cuerpo negro es también el mejor emisor.
La relación entre la energía que emite un cuerpo por unidad de superficie y por unidad de tiempo, y la que emitiría un cuerpo negro en las mismas condiciones, se denomina emisividad, ε. Para el cuerpo negro, ε= 1. La emisividad varía con la longitud de onda, la temperatura, el estado físico y la constitución química de la superficie.


8.4 Aplicaciones

Según lo expuesto, la aplicación más inmediata del efecto piroeléctrico en sensores es la detección de radiación térmica a temperatura ambiente. En consecuencia, se ha aplicado en pirómetros (medida de temperatura a distancia en hornos, vidrio o metal fundido, o simplemente para determinar las pérdidas de calor en edificios), radiómetros (medida de la potencia generada por una fuerte de radiación), analizadores de IR, detectores de CO2 y otros gases que absorben radiación IR, detección de la radiación IR emitida por el cuerpo humano (para detección de intrusos y de presencia en sistemas de encendido automático de la iluminación o calefacción en viviendas, apertura de puertas, reclamos publicitarios), detección de pulsos láser de alta potencia y en termómetros de alta resolución (6 x 10-6°C).

Para evitar que la carga superficial inducida en los electrodos por el cambio de temperatura del detecto al absorber radiación sea neutralizada por las cargas parásitas, se modula la radiación incidente o bien se da un cierto cabeceo al detector.

Por su pequeño tamaño y alta sensibilidad a cambios de temperatura, su respuesta es más rápida que la de otros detectores térmicos (termopares, termistores), pues no es necesario que alcancen el equilibrio térmico con la fuente de radiación. Esto los hace apropiados para obtener imágenes mediante exploración de la superficie a detectar. Otra posibilidad para compensar las cargas debidas a los cambios de temperatura ambiente, es utilizar dos sensores conectados en serie con polaridades opuestas.

El detector puede estar suspendido libremente, soportado por papel Mylar o montado sobre un sustrato que sea conductor o aislante térmico. Dado que los materiales piroeléctricos son todos piezoeléctricos, estos detectores llevan un encapsulado hermético (a veces incluso con vacío interno) que reduce los efectos de los movimientos de aire.


9. SENSORES FOTOVOLTAICOS

9.1 Efecto fotovoltaico
El efecto fotoeléctrico interno visto para los fotoconductores, cuando se produce en la zona de una unión p-n permite obtener una tensión eléctrica que es función de la intensidad de la radiación incidente. A la generación de un potencial cuando una radiación ioniza una zona donde hay una barrera de potencial se la denomina efecto fotovoltaico.
Al poner en contacto un semiconductor p (dopado con aceptadores) con un semiconductor n (dopado con donadores), debido al movimiento térmico hay electrones que pasan a la zona p y “huecos” que pasan a la zona n, donde se recombinan, respectivamente, con los portadores de carga de signo, como resultado, en una pequeña zona a ambos lados de la superficie de contactos apenas hay portadores libres, y los iones positivos de la zona n y los negativos de la zona p, fijos en sus posiciones en la estructura cristalina, crean un intenso campo eléctrico que se opone a la difusión de más portadores a través de esta barrera de potencial. De este modo se llega a un equilibrio entre la corriente de difusión y la inducida por este campo eléctrico. Si se dispone una conexión externa con cada semiconductor, no se detecta diferencia de potencial interna en la unión queda compensada exactamente por los potenciales de contacto de las conexiones externas con el semiconductor.

9.2 Materiales y aplicaciones
Aunque existen formas adicionales a la unión p-n para crear una barrera de potencial, ésta es la más frecuente en sensores. Si la unión p-n está constituida por un mismo semiconductor, se habla de homounión. En caso contrario, se trata de una heteruounión.
En la elección del material hay que tener en cuenta la longitud de onda de la radiación a detectar. En la zona visible y del infrarrojo cercano se emplean el silicio y el selenio, el primero en forma de homouniones, mientras que el segundo consta de una capa de selenio (p) sobre óxido de cadmio (n). Al silicio se añade a veces una zona de silicio intrínseco (no dopado) entre las zonas p y n. Esto aumenta la anchura de la zona desierta y repercute en un mayor rendimiento a longitudes de onda largas, así como en una mayor rapidez y menor ruido y corriente de oscuridad. Para otras longitudes de onda se emplean el germanio, antimoniuro de indio, arseniuro de indio, etc.