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.

Por tanto tiene como 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

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

b. 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.

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

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.

Tipos de Sensores Autorresonantes:

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 métodos de detección.

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.a Basado 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.b Basados en ultrasonidos.

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.c Basado 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.

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.

Efecto Reversible

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

Efecto Irreversible.

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

Efecto Termoelectrico.

El efecto termoeléctrico en un material relaciona el flujo de calor que lo recorre con la corriente eléctrica que lo atraviesa. Este efecto es la base de las aplicaciones de refrigeración y de generación de electricidad: un material termoeléctrico permite transformar directamente el calor en electricidad, o bien generar frío cuando se le aplica una corriente eléctrica. Los sensores que utilizan este efecto se llaman sensores termoeléctricos o tambien son llamados termopares

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; su explicacion basica seria que ciertamente existe un campo el eléctrico en la juntura entre dos materiales distintos. Cuando una fuente externa induce un flujo electrónico en el sentido del campo eléctrico, los electrones deben transformar energía cinética en energía potencial. Un movimiento más lento de los electrones, puede visualizarse como en una disminución de la temperatura. Si por el contrario, los electrones se mueven en sentido contrario, su velocidad aumenta por efecto del campo eléctrico extra. Este aumento de la velocidad electrónica puede verse nuevamente como un aumento de la temperatura. Al invertir el sentido de la corriente se invierte también el sentido del flujo de calor. Este efecto es reversible e independiente del contacto. Depende sólo de la composición y de la temperatura de la unión. esto se puede observar en la siguiente figura.

Al hacer circular corriente por un circuito de termopares una union se enfria y la otra se calienta

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 circula una corriente. El calor liberado es proporcional a la corriente y por ello, cambia de signo al hacerlo el sentido de la corriente. Se absorbe calor cuando la corriente fluye del punto más frío al más caliente y se libera cuando fluye del más caliente al más frío. Esto se muestra en la siguiente figura:

Efecto Seebeck

Históricamente fue primero Thomas J. Seebeck quien descubrió, en 1822, que en un circuito formado por dos metales 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.
Si se abre el circuito, aparece una fuerza (termo)electromotriz (f.t.e.m.) cuya magnitud depende de la naturaleza de los metales y de la diferencia de temperatura entre las dos uniones.

Al conjunto de estos dos metales con una unión firme en un punto se le denomina termopar.

Tipos de Termopares .

Consideraciones en las uniones de un termopar:
*Resistencia elevada para no requerir mucha masa, lo que implica alta capacidad calorífica y
respuesta lenta.
*Coeficiente de temperatura débil en la resistividad.
*Resistencia a la oxidación a altas temperaturas.
*Linealidad de la respuesta.

Estas propiedades se obtienen mediante las aleaciones que muestra la tabla 6.1.

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 atmósferas 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 0ºC 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.

Construcción de Termopares.

Un termopar esta constituido por dos metales diferentes, unidos físicamente en sus extremos. En la unión se crea una diferencia de potencial que depende de la temperatura (efecto termoeléctrico), que comparada con la que se genera en otra unión similar sometida a condiciones térmicas de referencia, da una medida de la temperatura existente en la primera unión.
Desde el punto de vista constructivo, la unión puede hacerse por contacto (arrollamiento), o soldadura.
Para conseguir la inmunidad requerida frente al medio en función de los materiales y del ambiente de trabajo, el termopar puede aparecer al aire o incluido dentro de una vaina protectora (lo que resulta determinante en la velocidad de respuesta). En este último caso, la unión puede conectarse a la vaina (puesta a tierra) o quedar eléctricamente aislada.

Los requerimientos más importantes que deben cumplir los materiales de termocuplas son:
· Ser mecánicamente robustos y resistentes químicamente.
· Deben producir una salida eléctrica mensurable y estable.
· Deben tener la precisión requerida.
· Deben responder con la velocidad necesaria
· Debe considerarse la transferencia de calor al medio y viceversa para no afectar la lectura.
· Deben, en algunos casos, estar aislados eléctricamente de masa
· Deben ser económicos .

conexion basica de un termopar

Normas de aplicación practica por los Termopares

1. • Ley de los circuitos homogéneos

En un circuito con un único metal homogéneo, no se puede mantener una corriente termoeléctrica mediante la aplicación exclusiva de calor, aunque varíe la sección transversal del conductor.Las temperaturas intermedias, a que pueda estar sometido cada conductor, no alteran la fuerza termoelectromotriz debida a una determinada diferencia de temperatura entre uniones. 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. En su lugar se emplean los denominados cables de compensación, que son más baratos que los del termopar y añaden fuerzas termoelectromotrices despreciables.

2. • Ley de los Metales Intermedios

La suma algebraica de las f.t.e.m en un circuito compuesto de un número cualquiera de metales distintos es cero si todo el circuito está a una temperatura uniforme. Esto significa que se puede intercalar un instrumento de medida sin añadir errores, siempre y cuando las nuevas uniones estén a la misma temperatura.
Una consecuencia de esta ley es que si se conoce la relación térmica de dos metales con un tercero, se puede encontrar la relación entre los dos primeros. Por lo tanto, no es preciso calibrar todos los posibles pares de metales para obtener su tabla tensión temperatura. Basta con conocer el comportamiento de cada metal con respecto a uno tomado como referencia (platino).

3. • Ley de las temperaturas sucesivas o intermedias. ,

Si dos conductores 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 T3 será E1+E2. Esto tiene una consecuencia práctica importante; la unión de referencia no tiene por qué estar a 0ºC, puede usarse otra temperatura de referencia. Incluso no tiene que ser fija siempre que sea conocida.

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

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

Compensación de la unión de referencia en circuitos de termopares.

Para aplicar el efecto Seebeck a la medida de temperaturas, es necesario mantener una de las uniones a la temperatura de referencia. Una solución consiste en introducir la unión de referencia en hielo fundente, tal como se indica en la figura (a). Esta solución, aunque de gran exactitud, es poco práctica. Además se debe usar mucho hilo de uno de los dos metales, y esto es caro.
La solución de la figura (b) permite emplear un hilo de conexión más económico, pero sigue precisando el mantenimiento de una temperatura de referencia constante.

Lo más frecuente es emplear la denominada compensación electrónica de la unión de referencia. Consiste en dejar la unión fría a la temperatura ambiente y medir esta con otro sensor dispuesto en sus cercanías. A la tensión del termopar se le suma la tensión que corresponde a la temperatura ambiente. De forma que es como si la unión fría estuviera a 0ºC. El circuito de compensación se diseña estableciendo la condición de que la corriente por el diodo sea de 1mA y que dV1/dT sea igual al coeficiente de Seebeck en el margen de temperatura ambiente.

Explicación de la tabla estandar de termopares.

Los termopares comerciales se designan por letras (T, E, J, K, R) que identifican los materiales que contienen y se especifican generalmente por su sensibilidad o coeficiente térmico (MV/ºC).
El tipo E, J, K, y T son termopares de base metálica y se pueden utilizar hasta por encima de 1000°C. El tipo S, R, y B se denominan termopares nobles por poseer platino como elemento básico y se pueden utilizar hasta por encima de 2000°C.

Termopar tipo T (Cu- Constantan)Termoelemento positivo: Cu 100%Termoelemento negativo: Cu55%, Ni45%Rango de utilización: -270ºC a 400ºCF.E.M. producida: -6,258 mV a 20,872 mVCaracterísticas: puede utilizarse en atmósferas inertes, oxidables o reductoras. Gracias a la gran homogeneidad con que el cobre puede ser procesado, se obtiene una buena precisión. En temperaturas superiores a 300ºC, la oxidación del cobre se torna muy intensa, lo que reduce su vida útil y ocasiona desvíos en la curva de respuesta original.

Termopar tipo J (Fe- Constantan)Termoelemento positivo: Fe99,5%Termolemento negativo: Cu55%, Ni45%Rango de utilización: -210ºC a 760ºCF.E.M. producida: -8,096 mV a 42,919 mVCaracterísticas: puede utilizarse en atmósferas neutras, oxidables o reductoras. No se recomienda en atmósferas muy húmedas y a bajas temperaturas el termoelemento positivo se vuelve quebradizo. Por encima de 540ºC el hierro se oxida rápidamente. No se recomienda en atmósferas sulfurosas por encima de 500ºC.

Termopar tipo E (Cr- Constantan)Termoelemento positivo: Ni90%, Cr10%Termolemento negativo: Cu55%, Ni45%Rango de utilización: -270ºC a 1000ºCF.E.M. producida: -9,835 mV a 76,373 mVCaracterísticas: Puede utilizarse en atmósferas oxidables, inertes o al vacío, no debe utilizarse en atmósferas alternadamente oxidables y reductoras. Dentro de los termopares a menudo utilizados, es el que posee mayor potencia termoeléctrica, bastante conveniente cuando se desea detectar pequeñas variaciones de temperatura.

Termopar tipo K (Cr- Constantan)Termoelemento positivo: Ni90%, Cr10%Termoelemento negativo: Ni95%, Mn2%, Si1%, Al 2%Rango de utilización: -270ºC a 1200ºCF.E.M. producida: -6,458 mV a 48,838 mVCaracterísticas: Puede utilizarse en atmósferas inertes y oxidables. Por su alta resistencia a la oxidación se utiliza en temperaturas superiores a 600ºC y en algunas ocasiones en temperaturas por debajo de 0ºC. No debe utilizarse en atmósferas reductoras y sulfurosas. En temperaturas muy altas y atmósferas pobres en oxigeno ocurre una difusión del cromo, lo que ocasiona grandes desvíos de la curva de respuesta del termopar. Este último efecto se llama “green - root”.

Termopar tipo N (Nicrosil - Nisil)Termoelemento positivo: Ni84,4%, Cr14,2%, Si1,4%Termoelemento negativo: Ni95,45% Si4,40%, Mg0,15%Rango de utilización: -270ºC a 1300ºCF.E.M. producida: -4,345 mV a 47,513 mVCaracterísticas: Este nuevo tipo de termopar es un sustituto del termopar tipo K que posee una resistencia a la oxidación superior a éste. En muchos casos también es un sustituto de los termopares a base de platino a raíz de su temperatura máxima de utilización. Se recomienda para atmósferas oxidables, inertes o pobres en oxígeno, ya que no sufre el efecto “green - root”. No debe exponerse a atmósferas sulfurosas.

Termopar tipo STermoelemento positivo: Pt90%, Rh10%Termoelemento negativo: Pt100%Rango de utilización: -50ºC a 1768ºCF.E.M. producida: -0,236 mV a 18,693 mVCaracterísticas: Puede utilizarse en atmósferas inertes y oxidables, presenta estabilidad a lo largo del tiempo en temperaturas elevadas, superiores a las de los termopares no constituidos de platino. Sus termoelementos no deben exponerse a atmósferas reductoras o con vapores metálicos. Nunca deben insertarse directamente en tubos de protección metálicos, pero sí en tubos con protección de cerámica. Fabricado con alúmina (Al2O3) de alto contenido de pureza. Para temperaturas superiores a 1500ºC se utilizan tubos de protección de platino. No se recomienda el uso de los termopares de platino en temperaturas abajo de 0ºC debido a la inestabilidad en la respuesta del sensor. En temperaturas por encima de 1400ºC ocurre crecimiento de granulaciones que los dejan quebradizos.

Termopar tipo RTermoelemento positivo: Pt87%, Rh13%Termoelemento negativo: Pt100%Rango de utilización: -50ºC a 1768ºCF.E.M. producida: -0,226 mV a 21,101 mVCaracterísticas: Posee las mismas características del termopar tipo "S", aunque en algunos casos es preferible el tipo "R" por tener una potencia termoeléctrica mayor en un11%.Termopar tipo BTermoelemento positivo: Pt70,4%, Rh29,6%Termoelemento negativo: Pt93,9%, Rh6,1%Rango de utilización: 0ºC a 1820ºCF.E.M. producida: 0,000 mV a 13820 mVCaracterísticas: Puede ser utilizado en atmósferas oxidables, inertes y por un corto espacio de tiempo en el vacío. Normalmente se utiliza en temperaturas superiores a 1400ºC, por presentar menor difusión de rodios que los tipos S y R. A temperaturas abajo de los 50ºC la fuerza electromotriz termoeléctrica generada es muy pequeña.

Sensores Piezoelectrico

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 a un material
piezoeléctrico, aparece una deformación. Todos los materiales ferroeléctricos son piezoeléctricos. La propiedad piezoeléctrica está relacionada con la estructura cristalina.
Estos fenómenos fueron descubiertos por Jacques y Pierre Curie en 1880.

Aplicaciones
La aplicación del efecto piezoeléctrico está sujeto a una serie de limitaciones.
*La resistencia eléctrica que presentan los materiales piezoeléctricos aunque es muy grande no es infinita. De modo que al aplicar un esfuerzo constante se genera inicialmente una carga que inevitablemente es drenada al cabo de un tiempo. Por lo tanto, no tienen respuesta en continua.
* Estos sensores presentan un pico en la respuesta para la frecuencia de resonancia. Por tanto, es
preciso trabajar siempre a frecuencias muy inferiores a la de resonancia mecánica.
*La sensibilidad presenta derivas con la temperatura. Además, por encima de la temperatura de Curie (específica para cada material) desaparece el efecto piezoeléctrico.
* La impedancia de salida de estos sensores es muy alta, por lo que para medir la tensión de salida es preciso utilizar amplificadores con una impedancia de entrada enorme. Son los denominados amplificadores electrométricos o de carga.

Entre las ventajas de los sensores piezoeléctricos destacaremos las siguientes:
*Alta sensibilidad, obtenida muchas veces a bajo coste.
* Alta rigidez mecánica; las deformaciones experimentadas son inferiores a 1μm. Esta alta impedancia mecánica es conveniente para la medida de variables esfuerzo (fuerza, presión, etc)
*Pequeño tamaño y posibilidad de obtener dispositivos con sensibilidad unidireccional.
Estas características hacen a este tipo de sensores especialmente adecuados para medir todo tipo de vibraciones. Por ejemplo una aplicación típica es como micrófono. También se utilizan mucho en la detección por ultrasonidos.

Sensores Piroelectricos

Este sensor tiene la capacidad de cambiar la polarización de algunos materiales sometidos a cambios de temperatura generarando un potencial eléctrico producido por el movimiento de las cargas positivas y negativas a los extremos opuestos de la superficie a través de la migración. Este tipo de fenómenos se observa en materiales dieléctricos que contienen polarizaciones espontáneas producidas por dipolos orientados. La piroelectricidad está estrechamente relacionada con la piezoelectricidad, de tal modo que todos los materiales piroeléctricos son también piezoeléctricos.
El efecto piroeléctrico fue descubierto en minerales como el cuarzo y turmalina y otros cristales iónicos y se desarrolla en las caras opuestas de cristales asimétricos. La dirección de propagación suele ser constante a lo largo de un material piroeléctrico, aunque puede ser modificada por un campo eléctrico cercano.
El material cristalino que constituye un sensor piroeléctrico genera una pequeña carga eléctrica cuando es expuesto al calor en forma de radiación infrarroja. El cristal cambia cuando la cantidad de radiación es notable, la carga también cambia y puede entonces ser medida con un dispositivo FET construido dentro del sensor. Y además son más rápidos que los termopares.

Aplicaciones:
Las aplicaciones más comunes de estos sensores piroeléctricos son: o Pirómetros (medida de temperatura a distancia en hornos, vidrio o metal fundido) o Los sensores pasivos de infrarrojos. o Medida de radiación o Detección de llamas o Detección de pérdidas de calor en oficinas, residencias o edificios. o Medidas de potencia generadas por una fuente de radiación. o Analizadores de IR, o Detectores de CO2 y otros gases que absorben radiación, o Detectores de IR emitidas por el cuerpo humano (para detección de intrusos y de presencia en sistemas de encendido --automático de iluminación o calefacción de viviendas, apertura de puertas. o Detección de pulsos láser de alta potencia. o En termómetros de alta resolución (6x10 °C). o Detector de personas o de movimiento.

Sensores Fotoelectricos

Es un dispositivo electrónico que responde al cambio en la intensidad de la luz. Estos sensores requieren de un componente emisor que genera la luz, y un componente receptor que “ve” la luz generada por el emisor. Todos los diferentes modos de sensado se basan en este principio de funcionamiento. Están diseñados especialmente para la detección, clasificación y posicionado de objetos; la detección de formas, colores y diferencias de superficie, incluso bajo condiciones ambientales extremas.
Hoy en día la mayoría de los sensores fotoeléctricos utilizan LEDs como fuentes de luz. Un LED es un semiconductor, eléctricamente similar a un diodo, pero con la característica de que emite luz cuando una corriente circula por él en forma directa.