13. 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 400ºC
  
• F.E.M. producida: -6,258 mV a 20,872 mV
  
• Características: 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 760ºC
  
• F.E.M. producida: -8,096 mV a 42,919 mV
  
• Características: 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 1000ºC
  
• F.E.M. producida: -9,835 mV a 76,373 mV
  
• Características: 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 1200ºC
  
• F.E.M. producida: -6,458 mV a 48,838 mV
  
• Características: 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 1300ºC
  
• F.E.M. producida: -4,345 mV a 47,513 mV
  
• Características: 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 S

• Termoelemento positivo: Pt90%, Rh10%
  
• Termoelemento negativo: Pt100%
  
• Rango de utilización: -50ºC a 1768ºC
  
• F.E.M. producida: -0,236 mV a 18,693 mV
  
• Características: 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 R

• Termoelemento positivo: Pt87%, Rh13%
  
• Termoelemento negativo: Pt100%
  
• Rango de utilización: -50ºC a 1768ºC
  
• F.E.M. producida: -0,226 mV a 21,101 mV
  
• Características: 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 B

• Termoelemento positivo: Pt70,4%, Rh29,6%
  
• Termoelemento negativo: Pt93,9%, Rh6,1%
  
• Rango de utilización: 0ºC a 1820ºC
  
• F.E.M. producida: 0,000 mV a 13820 mV
  
• Características: 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.

14. Sensores piezoeléctricos

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.
Estos fenómenos fueron descubiertos por Jacques y Pierre Curie en 1880.
La piezoelectricidad está relacionada con la estructura cristalina de los materiales.



Las propiedades piezoeléctricas se manifiestan en 20 de las 32 clases cristalográficas, aunque en la práctica se usan sólo unas pocas. Entre los materiales piezoeléctricos naturales, los de uso más frecuente son el cuarzo y la turmalina. En cuanto a las sustancias sintéticas, las que han encontrado más aplicación como materiales piezoeléctricos son las cerámicas.
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. En la figura se muestra el circuito equivalente de un sensor piezoeléctrico.

• 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.

Algunas de las aplicaciones más frecuentes de los sensores piezoeléctricos están en el campo de los ultrasonidos. Especial mención requieren (por ser muy numerosos) los dispositivos que utilizan técnicas de impulso-eco: detectores de grietas o anomalías en estructuras, detectores de presencia, equipos de ecografía, medidores de distancias, etc.
En la figura se muestra el principio básico de funcionamiento de un medidor de distancias por ultrasonidos.

15. Sensores piroeléctricos

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.
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 absobe radiación cambia su temperatura y con ella su polarización, produciendo una carga superficial en las placas del condensador.
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.
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.
A partir de 500°C, la radiación emitida es visible. Por debajo, incluida la temperatura ambiente, predomina la radiación infrarroja, de modo que sólo se percibe energía calorífica.
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). Se denomina cuerpo negro a un ente teórico que absorbe toda la energía incidente (elevándose, en consecuencia, su temperatura). Una cavidad cerrada y termostatada, con paredes ennegrecidas y que disponga sólo de una pequeña abertura, se comporta aproximadamente como un cuerpo negro.
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.
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.

16. Sensores fotoeléctricos

Un Sensor fotoeléctrico 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.

Existen cuatro tipos de sensores fotoeléctricos, los cuales se agrupan según el tipo de detacción, estos so: de barrera, reflez, autoreflex, y de fibra óptica.

• Sensores de barrera: cuando existe un receptor y un emisor apuntados uno al otro. Este método tiene el más alto rango de detección (hasta unos 60m).
  

• Sensores Reflex: cuando la luz es reflejada por un reflector especial cuya particularidad es que devuelve la luz en el mismo ángulo que la recibe (9m de alcance).
  

• Sensores Auntoreflex: son prácticamente iguales a los del tipo anterior, excepto que, el emisor tiene un lente que polariza la liz en un sentido y el receptor con polarización de 90º del primero. Con esto, el control no responde a objeto muy brillosos que pueden reflejar la señal emitida.
  

• Sensores de fibra óptica: en este tipo, el emisor y receptor están interconstituidos en una caja que puede estar a varios metros del objeto a sensar. para la detección emplean los cables de fibra óptica por donde circula el haz de luz emitido y recibido. La mayor ventaja de estos sensores es el pequeño volumen o espacio ocupado en el área de detección.
  
  
  

Las ventajas y desventajas de los sensores fotoeléctricos varían de acuerdo a su configuración:

Sistema barrera:

Sistema Reflex:




Sistema Autoflex:

Aplicaciones:

Detección de piezas, detección de nivel, detección de objetos pequeños, conteo de piezas, detección de objetos brillantes, detección de objetos oscuros, detección de personas.

SENSORES MODULADORES

1 Sensores resistivos

Los sensores basados en la variación de la resistencia eléctrica de un dispositivo son probablemente los más abundantes. Esto se debe a que son muchas las magnitudes físicas que afectan al valor de la resistencia eléctrica de un material. En consecuencia ofrecen una solución válida para numerosos problemas de medida.
Para la clasificación de diversos sensores de esta clase se toma como criterio el tipo de magnitud física a medida. El orden seguido es el de variables mecánicas, térmicas, magneticas, ópticas y químicas.

1.1 Potenciómetros (Variables mecanicas)

Un potenciómetro es un resistor que posee un contacto móvil deslizante o giratorio. La resistencia entre dicho contacto móvil y uno de los terminales fijos.La resistencia entre dicho contacto móvil y uno de los terminales fijos viene dada por:

R=ρ(l+x)/A

donde x es la distancia recorrida desde el otro terminal fijo, α la fracción de longitud correspondiente, ρ la resistividad del material, l su longitud y A su sección transversal.

La ecuación indica que la resistencia medida es proporcional al recorrido del cursor. Esto no siempre es así, pues la resistividad del material no suele ser uniforme a lo largo de todo el recorrido. Tampoco la resolución es infinita, pues muchos potenciómetros funcionan a saltos y no de manera continua; también hay que tener en cuenta la resistencia del contacto. A pesar de todo ello, los potenciómetros permiten medir fácilmente desplazamientos tanto longitudinales como angulares, así como todo tipo de magnitudes físicas asociadas a los mismos.