2.- Sensores generadores

Realizado por:

Ing. Nathalie Rojas

Ing. Danilo Bermudez

Sensor generador:

Son aquellos que a partir de la magnitud que miden generan una señal eléctrica, sin necesidad de una alimentación eléctrica. Están basados en efecto reversible y además están relacionados con diversos accionadores  o aplicaciones inversas en general, es decir, se pueden emplear para acciones no eléctricas a partir de señales eléctricas.

Esto es una opción para medir muchas magnitudes ordinarias como por ejemplo: temperatura, fuerza, presión y otras magnitudes afines.

Termopar:

 

Es un sensor para medir la temperatura. Se compone de dos metales diferentes, unidos en un extremo. Cuando la unión de los dos metales se calienta o enfría, se produce una tensión que es proporcional a la temperatura. Están basados en el principio de la termoelectricidad y dependiendo del margen de temperatura y las condiciones ambientales se eligen los materiales para su construcción.

Tipos de Termopar:

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 se muestran a continuación: 

Tipo K  Chromel / Aluminio (aleación de Ni-Al) Alumel): con una amplia variedad de aplicaciones, está disponible a un bajo costo y en una variedad de sondas. Tienen un rango de temperatura de -200 ºC a +1.372 ºC y una sensibilidad 41µV/°C aprox. Posee buena resistencia a la oxidación. 

Tipo E (Cromo /Constantán (aleación de Cu-Ni)): No son magnéticos y gracias a su sensibilidad, son ideales para el uso en bajas temperaturas, en el ámbito criogénico. Tienen una sensibilidad de 68 µV/°C.

Tipo J (Hierro / Constantán): debido a su limitado rango, el tipo J es menos popular que el K. Son ideales para usar en viejos equipos que no aceptan el uso de termopares más modernos. El tipo J no puede usarse a temperaturas superiores a 760 ºC ya que una abrupta transformación magnética causa una descalibración permanente. Tienen un rango de -40ºC a +750ºC y una sensibilidad de ~52 µV/°C. Es afectado por la corrosión. 

Tipo N (Nicrosil (Ni-Cr-Si / Nisil (Ni-Si)): es adecuado para mediciones de alta temperatura gracias a su elevada estabilidad y resistencia a la oxidación de altas temperaturas, y no necesita del platino utilizado en los tipos B, R y S que son más caros.

Por otro lado, los termopares tipo B, R y S son los más estables, pero debido a su baja sensibilidad (10 µV/°C aprox.) generalmente son usados para medir altas temperaturas (superiores a 300 ºC).

Tipo B (Platino (Pt)-Rodio (Rh)): son adecuados para la medición de altas temperaturas superiores a 1.800 ºC. Los tipo B presentan el mismo resultado a 0 ºC y 42 ºC debido a su curva de temperatura/voltaje, limitando así su uso a temperaturas por encima de 50 ºC.

Tipo R (Platino (Pt)-Rodio (Rh)): adecuados para la medición de temperaturas de hasta 1.300 ºC. Su baja sensibilidad (10 µV/°C) y su elevado precio quitan su atractivo.

Tipo S (Platino / Rodio): ideales para mediciones de altas temperaturas hasta los 1.300 ºC, pero su baja sensibilidad (10 µV/°C) y su elevado precio lo convierten en un instrumento no adecuado para el uso general. Debido a su elevada estabilidad, el tipo S es utilizado para la calibración universal del punto de fusión del oro (1064,43 °C).

Los termopares con una baja sensibilidad, como en el caso de los tipos B, R y S, tienen además una resolución menor. La selección de termopares es importante para asegurarse que cubren el rango de temperaturas a determinar.

Características:

-Baja sensibilidad

-Respuesta no lineal

-Pequeño tamaño: respuesta más rápida (ms)

-Aceptable estabilidad a largo plazo

-Aleaciones metálicas con designación normalizada: K,J,T.

- Se debe mantener una unión a una temperatura de referencia.

-No se debe trabajar a temperaturas superiores a la temperatura de fusión.

-Margen de medida -270ºC < T< 3000ºC

-La corriente que circule por el termopar debe ser mínima.

-Errores < 0,5ºC

-No tienen problemas de autocalentamiento.

Construcción:

Consta de la unión de 2 segmentos de metales de diferente aleación, en un sólo punto. Y los extremos restantes son los terminales donde se conecta el instrumento de medida. A continuación se presentan las diferentes uniones para construir termopares en función de la aplicación que se sea para el mismo.

a) Unión soldada en extremos.

b) Unión soldada en paralelo.

c) Hilo trenzado.

d) Termopar expuesto: respuesta rápida.

e) Termopar encapsulado: aislamiento eléctrico

f) Termopar unido a la cubierta: Aislamiento ambiental.

Los termopares actualmente tienen grandes e importantes aplicaciones industriales ya que casi todos los procesos en la industria requieren un estricto control de la temperatura y el uso de termopares ayuda a la automatización del control de la temperatura ya que se pueden implementar programas que ejecuten acciones específicas dependiendo de la temperatura que se tenga en un momento dado del proceso industrial.

-Industria de la construcción: en el proceso de fabricación del cemento y procesamiento de asfalto.

-Industria metalúrgica: en la salida de los altos hornos 

-Industria del plástico y del caucho, en las líneas de extrusión y temperatura de moldes e inyección.

-Industria alimentaria, para controlar la temperatura (mantener la cadena de frío) y en los procesos de fermentación.

-En criogenia (o criotécnica) donde es necesario controlar temperaturas inferiores a 200º.

-En medicina para medir temperaturas de la sangre en el interior del cuerpo humano usando minielementos térmicos

- En automoción, para la pruebas de motores, de frenos y de neumáticos.

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Sensores Piezoeléctricos:

El efecto piezoeléctrico consiste en la aparición de una polarización eléctrica en un material al deformarse bajo la acción de un esfuerzo. Solamente ocurre en ciertos materiales cristalinos y cerámicos que tienen como propiedad el presentar el efecto piezoeléctrico cuyo principio de funcionamiento consiste en la aparición de una polarización eléctrica bajo la acción de un esfuerzo. Es un efecto reversible ya que al aplicar una diferencia de potencial eléctrico entre dos caras de un material piezoeléctrico, aparece una deformación. Cabe destacar que todos los materiales ferroeléctricos son piezoeléctricos. La propiedad piezoeléctrica está relacionada con la estructura cristalina. Estos efectos fueron descubiertos por Jacque y Pierre Currie en 1880-81, pero solo hasta 1950 con la invención de las válvulas de vacío tuvo una aplicación práctica como sensor, ya que los cristales contaban con una alta impedancia de salida.

En la siguiente imagen se puede observar el funcionamiento de un sensor piezoeléctrico de presión. En donde se muestra que sin presión, las cargas del sensor, tienen un reparto uniforme, tal como se muestra en el ejemplo 1 y al actuar una presión, las cargas se desplazan espacialmente, produciéndose una tensión eléctrica mostrandose en el ejemplo 2. Si la presión es mayor, las cargas tienden a separarse, ya que la tensión aumenta. En el circuito electrónico incorporado se intensifica la tensión y se transmite  como señal a la unidad de control. La magnitud de la tensión constituye de esa forma una medida directa de la presión reinante en el sistema a controlar.

Materiales:

- Naturales más comunes: El cuarzo y la turmalina.

- Sintéticos: cerámicas.

Aplicaciones:

Los sensores piezoeléctricos se consideran herramientas versátiles para la medición de distintos procesos, por ejemplo en garantías de calidad, procesos de control o investigación y desarrollo en diferentes campos industriales. Aunque el efecto piezoeléctrico fue descubierto por Pierre Curie en 1880, no comenzó a ser implementado en las aéreas sensoriales de la industria hasta 1950. Desde entonces, el uso de este principio de medición se ha incrementado, debido a su fácil manejo y su alto nivel de fiabilidad. Tiene aplicaciones en campos como la medicina, la industria aeroespacial y la instrumentación nuclear, así como en pantallas táctiles de teléfonos móviles. En la industria automovilística, los elementos piezoeléctricos se utilizan para monitorear la combustión durante el desarrollo de motores de combustión interna, bien montados directamente en hoyos adicionales en la culata o en las bujías, que están equipadas con un sensor piezoeléctrico en miniatura.

Limitaciones:

- No poseen respuesta en c.c.

- Deben trabajar por debajo de la frecuencia de resonancia del material.

- Los coeficientes piezoeléctricos son sensibles a la temperatura.(Cuarzo hasta 260ºC y la turmalita 700ºC).

- La impedancia de salida de los materiales piezoeléctricos es muy baja

- Algunos materiales piezeléctricos son delicuescentes.

Ventajas:

- Alta sensibilidad y bajo coste.

- Alta rigidez mecánica (deformaciones experimentadas

Sensores piroeléctricos:

Los sensores piroelectricos están formados por materiales que tienen propiedad que sometidos a cambios de temperatura experimentan variaciones en la polarización eléctrica, por lo que dichos cambios de temperatura inducen un campo eléctrico en el interior del material, causado por movimiento de cargas positivas y negativas en los extremos opuestos de la superficie. Este tipo de fenómenos ocurre en materiales dieléctricos que tienen polarizaciones espontáneas producidas por dipolos orientados.

Funcionamiento del sensor piroeléctrico:

Los sensores piroeléctricos se construyen mediante un elemento semiconductor, en el cual se produce un desplazamiento de cargas cuando sobre él incide radiación infrarroja. Sin embargo en poco tiempo el sensor vuelve a su condición de equilibrio. Por este motivo es sólo sensible a cambios en la intensidad de la radiación infrarroja. La utilización práctica se hace interrumpiendo el haz infrarrojo mediante un dispositivo mecánico o bien utilizando una fuente intermitente.

Cambio en el Sensor al detectar movimiento.

Aplicaciones:

Las aplicaciones más comunes de estos sensores piroeléctricos son:

· Medición de temperatura a distancia en hornos, vidrio o metal fundidos).

· Sensores pasivos de infrarrojos

· Medición de radiación.

· Detección de llamas.

· Detección de pérdidas de calor en oficinas, residencias o edificios.

· Mediciones de potencias generadas por fuentes de radiación.

· Analizadores de IR (rayos infrarrojos).

· Detectores de CO₂ y de otros gases que absorben radiación.

· Detectores de IR (rayos infrarrojos) emitidos por el cuerpo humano, para detección de intrusos y de presencia

· Sistemas de encendido automático de iluminación o de calefacción de viviendas, apertura de puertas.

· Detección de pulsos láser de alta potencia.

· Termómetros de alta resolución (6 x 10 °C).

 Sensores Fotovoltaicos:

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 percibe 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.

Los sensores de luz se usan para detectar el nivel de luz y producir una señal de salida representativa respecto a la cantidad de luz detectada. Un sensor de luz incluye un transductor fotoeléctrico para convertir la luz a una señal eléctrica y puede incluir electrónica para condicionamiento de la señal, compensación y formateo de la señal de salida.

El sensor de luz más común es el LDR -Light Dependant Resistor o Resistor dependiente de la luz-.Un LDR es básicamente un resistor que cambia su resistencia cuando cambia la intensidad de la luz.

Existen tres tipos de sensores fotoeléctricos, los sensores por barrera de luz, reflexión sobre espejo o reflexión sobre objetos.

 

Estructura interna de un Sensor Fotovoltaico

Tipos de sensores:

Barrera de luz:

Las barreras tipo emisor-receptor están compuestas de dos partes, un componente que emite el haz de luz, y otro componente que lo recibe. Se establece un área de detección donde el objeto a detectar es reconocido cuando el mismo interrumpe el haz de luz. Estos sensores operan de una manera precisa cuando el emisor y el receptor se encuentran alineados.

Reflexión sobre espejo:

Tienen el componente emisor y el componente receptor en un solo cuerpo, el haz de luz se establece mediante la utilización de un reflector catadióptrico. El objeto es detectado cuando el haz formado entre el componente emisor, el reflector y el componente receptor es interrumpido. Debido a esto, la detección no es afectada por el color del mismo. La ventaja de las barreras réflex es que el cableado es en un solo lado, a diferencia de las barreras emisor-receptor que es en ambos lados.

Reflexión sobre objeto:

La luz infrarroja viaja en línea recta, en el momento en que un objeto se interpone el haz de luz rebota contra este y cambia de dirección permitiendo que la luz sea enviada al receptor y el elemento sea censado, un objeto de color negro no es detectado ya que este color absorbe la luz y el sensor no experimenta cambios. Hay dos tipos de fotocélulas de reflexión sobre objeto, las de reflexión difusa y las de reflexión definida.

Reflexión difusa:

En las fotocélulas de reflexión difusa sobre el objeto el emisor lanza un haz de luz; los rayos del haz se pierden en el espacio si no hay objeto, pero cuando hay presencia de objeto, la superficie de éste produce una reflexión difusa de la luz, parte de la cual incide sobre el receptor y se cambia así la señal de salida de la fotocélula.

Reflexión definida:

La reflexión en la superficie del objeto a detectar por las fotocélulas de reflexión definida normalmente es de carácter difuso, como en los sensores de reflexión difusa, o sea que los rayos reflejados salen sin una trayectoria determinada.

Esto es muy importante, para no caer en la falsa idea de que la diferencia respecto a los sensores de reflexión difusa está en el tipo de reflexión; lo está en el tipo de óptica empleada.

En las fotocélulas de reflexión definida la fuente de luz está a una distancia mayor que la distancia focal, por lo que el haz converge a un punto del eje óptico.

Aplicaciones:

Las aplicación pueden ir desde encender un bombillo hasta suministrar energia a un conjunto residencial o ciudad.

Sensores Electroquímicos.

Los sensores electroquímicos adecuados para determinar el contenido de oxígeno y los constituyentes nocivos del gas tales como CO, SO2 o NOx, funcionan basándose en el principio de la valoración potenciométrica sensible a los iones.

Los sensores están rellenos con un electrolito acuoso, específico para la tarea, en el que están dispuestos dos o tres electrodos, igualmente combinados específicamente, entre los que hay un campo eléctrico. Los sensores están sellados del exterior mediante membranas permeables al gas.

El diseño específico y el funcionamiento de los sensores difieren según el componente del gas a medir.

 Tipos de Sensores

Sensor de oxígeno (sensor de dos electrodos):

Los gases de combustión y las moléculas de oxígeno contenidas en ellos penetran a través de la membrana permeable al gas hasta el cátodo. Debido a su composición material, tiene lugar una reacción química en el cátodo con la formación de iones OH (los iones son partículas cargadas). Estos iones migran al ánodo a través del electrolito, creando un flujo de corriente proporcional a la concentración de O2. La caída de tensión desarrollada en una resistencia situada en el circuito sirve luego como señal de medición que se utiliza para el procesado electrónico posterior.

La resistencia incorporada con coeficiente de temperatura negativo (NTC), se usa para compensar los efectos de la temperatura, garantizando así que el sensor permanezca estable frente a los cambios de temperatura. 

Sensores para CO, SO2 y NOx (sensor de tres electrodos):

Para componentes del gas tales como CO, SO2 o NOx, se usan sensores con tres electrodos.

Las moléculas de monóxido de carbono (CO) pasan, a través de la membrana permeable al gas, al electrodo de trabajo donde se forman iones H+ como consecuencia de una reacción química. Estos migran en el campo eléctrico al contraelectrodo, donde se genera un flujo de corriente en el circuito externo mediante otra reacción química desencadenada por el oxígeno (O2) del aire puro, también aportado. El tercer electrodo (electrodo de referencia) sirve para estabilizar la señal del sensor.

                                 Funcionamiento de la cámara de un Sensor Electroquímico.

Preguntas frecuentes:

1)   ¿Qué es un sensor generador?
Son aquellos que a partir de la magnitud que miden generan una señal eléctrica, sin necesidad de una alimentación eléctrica. Están basados en efecto reversible y además están relacionados con diversos accionadores o aplicaciones inversas en general, es decir, se pueden emplear para acciones no eléctricas a partir de señales eléctrias.

2)   ¿Cuales son los tipos de sensores generadores?
-Termopar
-Sensores piezoeléctricos
-Sensores piroeléctricos
-Sensores Fotovoltáicos
-Sensores electroquímicos

3)   Mencione 5 características del sensor termopar.
-Baja sensibilidad 
-Respuesta no lineal
-Pequeño tamaño: respuesta más rápida (ms)
.Aceptable estabilidad a largo plazo.
-Aleaciones metálicas con designación normalizada; K,J,T

4)  Defina: sensor piezoeléctrico y mencione 3 limitaciones


El efecto piezoeléctrico consiste en la aparición de una polarización eléctrica en un material al deformarse bajo la acción de un esfuerzo.Solamente ocurre en ciertos materiales cristalinos y cerámicos que tienen como propiedad el presentar el efecto piezoeléctrico cuyo principio de funcionamiento consiste en la aparición de una polarización eléctrica bajo la acción de un esfuerzo.

Limitaciones:
- No poseen respuesta en c.c.
- Deben trabajar por debajo de la frecuencia de resonancia del material.
- Los coeficientes piezoeléctricos son sensibles a la temperatura.(Cuarzo hasta 260ºC y la turmalita 700ºC).
- La impedancia de salida de los materiales piezoeléctricos es muy baja

- Algunos materiales piezeléctricos son delicuescentes

5)   Explique el funcionamiento del sensor piroeléctrico.

Los sensores piroeléctricos se construyen mediante un elemento semiconductor, en el cual se produce un desplazamiento de cargas cuando sobre él incide radiación infrarroja. Sin embargo en poco tiempo el sensor vuelve a su condición de equilibrio. Por este motivo es sólo sensible a cambios en la intensidad de la radiación infrarroja. La utilización práctica se hace interrumpiendo el haz infrarrojo mediante un dispositivo mecánico o bien utilizando una fuente intermitente

6)   Mencione los tipos de sensores fotovoltáicos y defina 2.

Tipos de sensores fotovoltáicos:
-Barrera de luz
-Reflexión sobre espejo
-Reflexión sobre objeto
-Reflexión difusa
-Reflexión definida.

Barrera de luz:
Las barreras tipo emisor-receptor están compuestas de dos partes, un componente que emite el haz de luz, y otro componente que lo recibe. Se establece un área de detección donde el objeto a detectar es reconocido cuando el mismo interrumpe el haz de luz. Estos sensores operan de una manera precisa cuando el emisor y el receptor se encuentran alineados.

Reflexión sobre espejo:

Tienen el componente emisor y el componente receptor en un solo cuerpo, el haz de luz se establece mediante la utilización de un reflector catadióptrico. El objeto es detectado cuando el haz formado entre el componente emisor, el reflector y el componente receptor es interrumpido. Debido a esto, la detección no es afectada por el color del mismo. La ventaja de las barreras réflex es que el cableado es en un solo lado, a diferencia de las barreras emisor-receptor que es en ambos lados.

7)   ¿Qué es un sensor electroquímico?
Los sensores electroquímicos adecuados para determinar el contenido de oxígeno y los constituyentes nocivos del gas tales como CO, SO2 o NOx, funcionan basándose en el principio de la valoración potenciométrica sensible a los iones.

Práctica de Laboratorio.

Objetivos. 
-Conocer que es un termopar.
-Identificar los diferentes tipos de termopar.
-Conocer el funcionamiento y usos de un termopar.
-Escoger un termopar que se adapte a nuestro proceso.
-Recrear diferentes escenarios de trabajo para un termopar.
-Conocer la respuesta de un termopar a diferentes grados de temperatura y graficarlas.

Materiales a utilizar.
-Información de nuestro blog.
-Termopar
-Voltímetro (con escala en milivoltios).
-Mechero.
-Agua
-Hielo
-Termómetro
-Frascos
-Guantes

Desarrollo de la práctica

Luego de conocer la teoría necesaria, podemos poner el funcionamiento muestro termopar procedemos a conectarlo de la siguiente manera:

Desarrollo de la práctica
Luego de conocer la teoría necesaria, podemos poner el funcionamiento muestro termopar procedemos a conectarlo de la siguiente manera:

Como muestra la imagen conectamos uno de los cables del termopar a la punta positiva del voltímetro, el otro cable lo conectamos a la punta negativa del voltímetro.

La primera medición que haremos es de nuestro termopar a temperatura ambiente.

Procedemos a verter agua en uno de los frascos, encendemos el mechero colocamos un termómetro y el termopar y podemos empezar a notar cambios tanto en la temperatura del agua como en la medición del voltímetro.

Anotaremos la relación temperatura voltaje a medida que se va calentado el agua.

Al conseguir una temperatura máxima de 80 grados centígrados, apagamos el mechero y sacamos el termopar del franco y notamos que el voltaje medido por el voltímetro va cambiando hasta llegar a la temperatura ambiente.

En seguida tomamos el frasco con agua y le agregamos hielo, introducimos el termómetro y el termopar, para así ver la repuesta del termopar a temperaturas por debajo a la temperatura de ambiente.

Al instante procedemos a graficar la relación temperatura voltaje con la información recopilada de la práctica.