Tema V: Sensores Generadores

TEMA V: SENSORES GENERADORES

Se consideran sensores Generadores aquellos que generan una señal eléctrica a partir de la magnitud que miden, sin necesidad de una alimentación eléctrica. Esto es una alternativa para medir muchas de las magnitudes ordinarias como por ejemplo: temperatura, fuerza, presión, y otras magnitudes afines.

En algunos casos: Transductor <=> Efecto Reversible

En esta parte se toma en cuenta las fuentes de Interferencia cuyos efectos pueden producirse inadvertidamente en los circuitos. Ejemplos:

• Ruidos (Mecánicos, Magnéticos, Eléctricos, Térmicos, Electrónicos).
• Fuerzas Electromotrices.
• Vibraciones.
• Presencia de Dieléctricos o Potenciales galvánicos.

SENSORES TERMOELECTRICOS:

TERMOPARES EFECTO TERMOELECTRICO

Existen 2 tipos:

a) Reversibles: Efecto Peltier y Efecto Thompson

b) Irreversibles: Efecto Joule

Históricamente, fue Thomas J. Seebeck quien descubrió en 1822 que en un circuito de dos metales distintos A y B con dos uniones a diferentes temperaturas, aparece una corriente eléctrica.

Es decir hay una conversión de Energía Térmica a Energía Eléctrica o bien, si se abre el circuito, una fuerza (termo - electromotriz) que depende de los metales y de la diferencia de temperaturas entre las uniones. Al conjunto de estos dos metales distintos con una unión firme en un punto o una zona se le denomina Termopar La relación entre la fuerza termoelectromotriz (f.t.e.m.) denominada también EAB y la diferencia de temperatura entre las uniones (T), define el coeficiente de Seebeck (SAB).

donde SA y SB son la denominada Potencia Termoeléctrica absoluta de A y B.

En general SAB no es una constante. Esta depende de la temperatura T y suele crecer al crecer T. Es importante anotar que mientras la corriente que circula por el circuito depende de la resistencia de los conductores, en cambio la ftem no depende de la resistividad, ni de la sección, ni distribución o gradiente de temperatura. Depende solo de la diferencia de temperaturas entre las uniones y de la naturaleza de los metales. Esta fuerza electromotriz se debe a los efectos Peltier y Thompson

Efecto Peltier (Jean C. Peltier -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 antes una unión se calentaba (cedía calor), al cambiar el sentido de la corriente se enfría (absorbe calor), es decir, si primero se enfriaba ahora se calienta o viceversa.

Este efecto es reversible e independiente del contacto, es decir, de la forma y dimensiones de los conductores. Depende solo de su composición y de la temperatura de la unión. La dependencia es lineal y viene descrita por el coeficiente de Peltier pAB que se define como el calor generado en la unión entre A y B por unidad de corriente que circula de B a A para una unión a temperatura T, y esta definido por:
El hecho de que el calor intercambiado por unidad de superficie de la unión sea proporcional a la corriente y no a su cuadrado, marca la diferencia respecto al efecto Joule. En este el calentamiento depende del 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. En este caso las uniones alcanzan una temperatura distinta a la del ambiente y ello puede ser una fuente de errores.

Efecto Thompson (Lord Kelvin -1854)

Consiste en la absorción o liberación de calor por parte de un conductor homogéneo con temperatura No homogénea por el que circule corriente. El calor liberado es proporcional a la corriente (no a su cuadrado) y por ello cambia el signo al hacerlo el sentido de la corriente. Se absorbe calor al fluir corriente del punto frío al más caliente y se libera cuando fluye del más caliente al más frío. En otras palabras, se absorbe calor si la corriente y el calor fluyen en direcciones opuestas y se libera calor si fluyen en la misma dirección.A pesar de todas las limitaciones, los termopares son sin duda alguna los transductores de uso más frecuente para medir temperatura:

Ventajas:

· Gran Alcance: -270°C a 3000°C .

· Gran Estabilidad. Alta fiabilidad.

· Mayor exactitud que un RTD.

· Pequeño y mediano tamaño.

· Velocidad de respuesta rápida (ms).

· Robustos.

· Simples.

· Flexibilidad de Utilización.

· Bajo costo.

Tipos de Termopares

En las uniones de termopar interesa tener:

· Resistividad elevada sin requerir mucha masa

· Coeficiente de temperatura débil en la resistividad

· Resistencia a la oxidación a temperaturas altas.

· Linealidad lo mayor posible.

Para lograr estas propiedades se emplean aleaciones especiales:

· Níquel (90)/Cromo(IO) -Cromel-;

· Cobre(57)1Niquel(43);

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

La protección frente al ambiente se logra mediante un encapsulado denominado Vaina que notmalmente es acero inoxidable. La velocidad de respuesta y la robustez de la sonda vendrán afectadas por el espesor del encapsulado. En el cuadro siguiente se presentan las características de algunos de los termopares mas comunes y su designación de acuerdo con las normas ANSI.