Asignacion 3

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 de 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.

Procesos Reversibles e Irreversibles
Los procesos se pueden clasificar en reversibles e irreversibles. El concepto de proceso reversible nos permite reconocer, evaluar y reducir las irreversibilidades en procesos reales en la ingeniería.

Consideremos un sistema aislado. La Segunda Ley nos dice que cualquier proceso que redujera la entropía del sistema aislado es imposible. Supongamos que un proceso ocurre dentro del sistema aislado y que llamaremos en dirección hacia adelante. Si el cambio en el estado del sistema es tal que la entropía aumenta para el proceso que llamamos hacia adelante, entonces para el proceso hacia atrás (es decir, para el cambio en reversa hacia el estado inicial) la entropía disminuiría. Este proceso en reversa es imposible para el sistema aislado, y por lo tanto decimos que el proceso hacia adelante es irreversible.

Fig.: Diagrama esquemático de un refrigerador imposible, es decir un que absorba el calor Qc de la fuente fría y libere una cantidad equivalente de calor a la fuente caliente con W=0.

Si ocurre un proceso, sin embargo, en el cual la entropía no cambia (proceso isentrópico) por el proceso hacia adelante, entonces también el proceso hacia atrás permanece sin cambios. Tal proceso puede ir en cualquier dirección sin violar La Segunda Ley. Los procesos de este tipo se llaman reversibles. La idea fundamental de un proceso reversible es que no produce entropía.

La entropía se produce en procesos irreversibles. Todos los procesos verdaderos (con la posible excepción de flujo de corriente en superconductores) presentan cierta medida irreversible, aunque muchos procesos se pueden analizar adecuadamente si se asume que son reversibles. Algunos procesos que son claramente irreversibles son: la mezcla de dos gases, la combustión espontánea, la fricción, y de la transferencia de la energía como calor de un cuerpo con mayor temperatura hacia un cuerpo con menor temperatura.

Fig. : El proceso reversible entre dos estados de equilibrio i y f se puede representar por una línea en un diagrama PV. Cada punto de esta línea representa un estado de equilibrio. Un proceso irreversible pasa por una serie de estados de no equlibrio y no se puede representar por una línea en éste diagrama.

El reconocimiento de las irreversibilidades en un proceso verdadero es especialmente importante en la ingeniería. La irreversibilidad, o alejarse de la condición ideal de la reversibilidad, refleja un aumento en la cantidad de energía no organizada a expensas de energía mejor organizada. La energía organizada (tal como el de un peso levantado) se pone fácilmente en uso práctico; la energía desorganizada (tal como los movimientos al azar de las moléculas en un gas) requiere ``forzar o restringir'' antes de que pueda ser utilizada con eficacia. El ingeniero se esfuerza constantemente en reducir la irreversibilidades de los sistemas para obtener un funcionamiento mejor de estos.

Sensores Termoeléctricos
Los sensores termoeléctricos se basan en dos efectos que, a diferencia del efecto Joule, son reversibles. Se trata del efecto Peltier y del efecto Thomson. La acción conjunta de estos dos efectos da lugar al efecto Seebeck, en el que se basan los termopares.

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. La relación entre la f.t.e.m. (EAB) y la diferencia de temperatura entre las uniones (T), define el coeficiente de Seebeck (SAB).

SA y SB son, respectivamente, la potencia termoeléctrica absoluta de los metales A y B. En general SAB no es constante sino que suele crecer al aumentar la temperatura.

Mientras que la corriente depende de la resistencia de los conductores, la f.t.e.m. no depende ni de la resistividad, ni de la sección, ni de la distribución de temperaturas en los conductores. Depende sólo de la diferencia de temperatura entre las uniones y de la naturaleza de los conductores.

Efecto Peltier
Descubierto por Jean C.A. Peltier en 1834, consiste en el calentamiento o enfriamiento de la unión entre dos metales al pasar una corriente por ella. Al invertir el sentido de la corriente se invierte también el sentido del flujo de calor, si antes se calentaba ahora se enfría y viceversa.

Se trata de un efecto reversible e independiente de la forma y dimensiones del contacto y de los conductores. Depende sólo de su composición y de la temperatura de la unión.

La dependencia entre la potencia calorífica transformada (Qp) y la corriente es lineal y viene descrita por el coeficiente de Peltier (πAB), que por tener dimensiones de tensión se llama a veces tensión Peltier. Se define πAB como la potencia calorífica generada en la unión entre A y B por unidad de corriente que circula de B a A.

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

El efecto Peltier es también independiente del origen de la corriente, que puede ser incluso de origen termoeléctrico, como en la página anterior. En este caso cada unión alcanza una temperatura distinta a la de su ambiente y esto puede ser una fuente de error.

Efecto Thomson
Descubierto por William Thomson (Lord Kelvin) en 1847, 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. 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.

La potencia calorífica neta q por unidad de volumen en un conductor de resistividad r, con un gradiente longitudinal de temperatura dT/dx (ºC/m), por el que circula una densidad de corriente i, será:

donde σ es el denominado coeficiente de Thomson.

Termopares
Si la corriente que circula por el circuito del termopar es suficientemente pequeña, para despreciar el efecto Joule, se pueden considerar exclusivamente los efectos termoeléctricos reversibles. En este caso, la energía termoelectromotriz generada debe coincidir con la energía térmica neta transformada por la suma de los efectos Peltier y Thomson.

La expresión del coeficiente de Seebeck permite pensar en la aplicación de los termopares a la medida de temperaturas.

T es la diferencia entre la temperatura de la unión de referencia, normalmente 0ºC, y la temperatura de la unión de medida, es decir, la temperatura que se pretende medir.

Tipos de termopares

Tipo K (Cromo (Ni-Cr) 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.

Estas propiedades se obtienen mediante las aleaciones que muestra siguiente tabla

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.

La siguiente tabla muestra la salida en mV correspondiente a distintas temperaturas de la unión de un termopar tipo J referenciado a 0ºC.

Según la aplicación se dispone de diferentes tipos de uniones:

Normas De Aplicación Práctica Para Termopares

Ley De Circuitos Homogéneos
En un circuito de un único metal homogéneo, no se puede mantener una corriente termoeléctrica mediante la aplicación exclusiva de calor aunque varíe la sección transversal del conductor.

En la figura se muestra el significado de esta ley. Las temperaturas intermedias, a que pueda estar sometido cada conductor, no alteran la f.t.e.m. debida a una determinada diferencia de temperatura entre las 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. Se emplean los denominados cables de compensación, que son más económicos que los del termopar y añaden f.t.e.m. despreciables.

Ley De Los Metales Intermedios
En un circuito compuesto por un número cualquiera de metales distintos, si se intercala un conductor y sus dos contactos con el circuito permanecen a la misma temperatura, la tensión añadida al circuito con la incorporación de estos dos contactos es cero.

Esto significa que se puede incorporar al circuito un instrumento de medida sin añadir errores. El instrumento se puede intercalar en un conductor o en una unión. En la figura se describe gráficamente esta ley.

En la tabla siguiente se muestran 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.

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. Se ha convenido que el platino sea esta referencia.

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.

Aplicando las leyes anteriores se pueden analizar fácilmente circuitos como los de la figura.

En el primer circuito, se trata de una conexión serie de varios termopares, constituyendo una termopila. Es fácil comprobar que aumenta la sensibilidad respecto al caso de una sola unión, la tensión de salida será la suma de las tensiones de cada termopar aislado.

En el segundo circuito, la conexión es en paralelo y, si todos los termopares tienen la misma resistencia, se obtiene a la salida una tensión que corresponde a la temperatura media de las uniones de medida.

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. En la figura se muestra un ejemplo de compensación de la unión fría basado en la dependencia de la tensión directa en un diodo (VD) con la temperatura.

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. El potenciómetro (PAJ) se incluye para ajustar el cero. Se toman como datos la tensión umbral del diodo y su derivada con la temperatura.

Uso De Los Cables De Compensación Para Termopares
Cuando el punto cuya temperatura se quiere medir está alejado, se suelen utilizar los cables de compensación para conectar el termopar con el sistema de medida. Estos cables son mucho más baratos que los del termopar y no introducen una tensión apreciable en el circuito aunque los extremos estén a temperaturas diferentes.

En la figura se muestra un esquema simplificado. La temperatura T3 puede variar sin introducir error. Los cables de compensación son específicos para cada termopar. Suelen ser tres o cuatro veces más caros que los cables de cobre.

En la figura se muestra un esquema más real. Las uniones entre el termopar y el cable de compensación y entre el cable de compensación y el sistema de medida, deben hacerse con conectores específicos para el tipo de termopar que se esté utilizando.

Explicación De La Tabla Estándar De Termopares
Los tipos de termopares estándar y sus propiedades pueden ser identificados por los colores del aislante y el encapuchado. La ANSI (American National Standards Institute) ha establecido una serie de especificaciones de tipos de termopares para hacer fácil la identificación y uso de termopares. La tabla listada abajo indica los códigos de colores estándar que usted puede utilizar para identificar el tipo de termopar y la polaridad de la señal para cada tipo de termopar. Si usted encuentra un termopar que no está listado en la tabla, probablemente éste no cumple con el estándar ANSI. Usted debe contactar al proveedor para obtener información más detallada acerca de su operación, escalamiento y conectividad.

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.

Aplicaciones
Detección de magnitudes mecánicas:

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 < 1microm), apta para medir variables esfuerzo (fuerza presión).
· La figura 6.18 muestra algunos montajes de aplicación del efecto piezoeléctrico a baja frecuencia.

Sensores Piroeléctricos
La piroelectricidad es el cambio en la polarización de un material sometido a cambios de temperatura. Este tipo de fenómenos se observa en materiales dieléctricos que contienen polarizaciones espontáneas producidas por dipolos orientados.

Estos efectos han sido conocidos por el hombre desde hace muchos años, recibió este nombre de D. Brewster en 1824. Pero la investigacion de la pyroelectricidad en polímeros es relativamente nueva pues data de mediados del siglo XX, sin embargo los resultados iniciales fueron pobres y no atractivos a nivel comercial. Grandes adelantos ocurrieron en 1971, con el descubrimiento de los efectos piroeléctricos en el fluoruro de polivinilideno PVDF por J.B. Bergman, J.H. y solamente después de que el Dr. H. Kawai descubrió la piezoelectricidad en el mismo material.

El sensor piroeléctrico se hace de un material cristalino que genere una carga eléctrica superficial cuando está expuesto al calor en la forma de radiación infrarroja. Cuando la cantidad de radiación que recibe cambia, la cantidad de la carga también y se puede medir con un FET.


Los sensores piroeléctricos se rigen de la siguiente fórmula:

Donde:
Rv: Es la sensibilidad a la tensión o responsividad en tensión
α: Fracción incidente que se transforma en calor
P: Coeficiente piroeléctrico del material
τ: Constante de tiempo térmica
CE: Calor específico volumétrico
ε: Constante dieléctrica
ω: Frecuencia angular de la pulsación radiante.

Este tipo de sensores se utilizan para la medida de radiación. Para mejorar la respuesta sensorial (dinámica) se aumenta la masa térmica del sensor con un material absorbente adecuado. Los sensores piroeléctricos cuentan con una respuesta más rápida que los termopares, empleándose incluso para la detección de pulsos de radiación de picosegundos y con energías desde los nanojulios hasta julios. Las aplicaciones más comunes de estos sensores son:

· Pirómetros (medida de temperatura a distancia en hornos, vidrio o metal fundido)
· Detección de pérdidas de calor en oficinas, residencias o edificios
· Medidas de potencia generadas por una fuente de radiación
· Analizadores de IR
· Detectores de CO2 y otros gases que absorben radiación
· 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
· Detección de pulsos láser de alta potencia
· En termómetros de alta resolución (6x10 °C)



Los materiales más comunes son el sulfato de triglicina TGS, el tantalato de lítio TaO3Li, el niobato de estroncio, el bario (SBN) y el polivinilideno (PVF2). Nuevamente el márgen de temperatura debe mantenerse por debajo de la temperatura de Curie del material, por lo que queda limitado a un máximo de 50°C.

Sensores Fotovoltaicos
Cuando el efecto fotoeléctrico se produce en la barrera de potencial de una unión PN se denomina efecto fotovoltaico.


Si la unión PN, en circuito abierto, se somete a una radiación cuya energía supere la anchura de la banda prohibida, aparecen pares electrón-hueco adicionales que se desplazan bajo la acción del campo eléctrico en la zona de la unión. La llegada de electrones a la zona N y de huecos a la zona P, produce una reducción del potencial de contacto de valor VP, que se puede medir mediante conexiones externas a una resistencia de carga. Esta tensión aumenta al aumentar la intensidad de la radiación incidente hasta llegar a la saturación. Si se cortocircuitan los contactos la corriente es proporcional a la intensidad luminosa recibida en un amplio margen.

Un fotodiodo, bajo radiación, genera una corriente en el sentido cátodo-ánodo y una tensión ánodo-cátodo positiva, es decir, se comporta como una fuente de tensión dependiente de la iluminación recibida.

La gama de longitudes de onda a la que es sensible el sensor depende del material semiconductor utilizado. Los sensores fotovoltaicos se emplean tanto en aplicaciones donde se mide la luz como en aplicaciones donde la luz se emplea como medio para detectar otra magnitud. Se comercializan modelos constituidos por un par emisordetector adaptados, e incluso conectados a un relé para control.

Asignacion 2

Sensores Moduladores
Los sensores moduladores son aquellos que varían un parámetro eléctrico en función de la variable a medir. La variable puede ser presión, temperatura, caudal, etc. y el parámetro eléctrico puede ser resistencia, inductancia, capacitancia o campo magnético o eléctrico.

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 magnitudes físicas que afectan al valor de la resistencia eléctrica de un material. En consecuencia, ofrecen una solución válida para numerosos problemas de medida.

Potenciómetro
Un potenciómetro es un resistor al que le puede variar el valor de su resistencia. De esta manera, indirectamente se puede controlar la intensidad de corriente que hay por una línea si se conecta en serie, o la diferencia de potencial de hacerlo en paralelo.

Normalmente, los potenciómetros se utilizan en circuitos con poca corriente, para potenciar la corriente, pues no disipan apenas potencia, en cambio en los reóstatos, que son de mayor tamaño, circula más corriente y disipan más potencia. El divisor resistivo variable ajustable por medio de un cursor.

La fórmula del potenciómetro está dada por:

Galgas Extensométricas
La resistencia de un conductor de sección uniforme está dada por:

Donde:
R = Resistencia en Ohms (Ω).
L = Longitud del conductor.
A = Área transversal del conductor.
ρ = Resistividad (propiedad del material, depende de la temperatura).

El término “sensibilidad de elongación” sirve para expresar el cambio de Resistencia de un conductor en relación con el cambio de longitud que lo causa, es decir:

La definición de Sensibilidad de elongación en una galga extensométrica se denomina factor de galga (Sg), y es proporcionado por el fabricante.

En resumen, las galgas extensométricas pueden medir deformaciones unitarias, mediante los cambios de Resistencia proporcionales a estás. Normalmente se colocan sobre la superficie libre del espécimen para medir el esfuerzo en ese punto particular. En general es necesario medir tres deformaciones en un punto para definir completamente los campos de esfuerzo y/o de deformación.


Termorresistencias
La termorresistencia trabaja según el principio de que en la medida que varía la temperatura, su resistencia se modifica, y la magnitud de esta modificación puede relacionarse con la variación de temperatura.

Las termorresistencias de uso más común se fabrican de alambres finos soportados por un material aislante y luego encapsulados. El elemento encapsulado se inserta luego dentro de una vaina o tubo metálico cerrado en un extremo que se llena con un polvo aislante y se sella con cemento para impedir que absorba humedad.

La relación fundamental para el funcionamiento será así:

R0=Rt(1+αt)

Donde:
Ro= resistencia en ohmios a 0 grados Celsius
Rt= resistencia a la temperatura t grados Celsius
α= coeficiente de temperatura de la resistencia.Los materiales utilizados para los arrollamientos de termorresistencias son fundamentalmente platino, níquel, níquel-hierro, cobre y tungsteno.

El método de medición de la temperatura no es directo, ya que lo que se mide es una resistencia mediante un puente de Wheastone, luego se lee el valor de la temperatura correspondiente de tabla de comportamiento de la citada resistencia.

Termistores
El termistor es un tipo de transductor pasivo, sensible a la temperatura y que experimenta un gran cambio en la resistencia eléctrica cuando está sujeto a pequeños cambios de temperatura. Compuesto de una mezcla sintetizada de óxidos metálicos, el termistor es esencialmente un semiconductor que se comporta como un "resistor térmico" con un coeficiente térmico de temperatura negativo de valor muy elevado.

Los termistores también se pueden encontrar en el mercado con la denominación NTC (Negative Temperature Coeficient ) habiendo casos especiales de coeficiente positivo cuando su resistencia aumenta con la temperatura y se los denomina PTC (Positive Temperature Coeficient). Su simbolo es:


La raya quebrada indica que no es lineal. El elemento positivo o negativo indica que tiene una característica positiva o negativa respectivamente. Es decir, si es de coeficiente positivo, PTC, la resistencia se incrementa con la temperatura. Si es de coeficiente negativo, NTC, disminuye con la temperatura.

Los termistores sirven para la medición o detección de temperatura tanto en gases, como en líquidos o sólidos. A causa de su muy pequeño tamaño, se los encuentra normalmente montados en sondas o alojamientos especiales que pueden ser específicamente diseñados para posicionarlos y protegerlos adecuadamente cualquiera sea el medio donde tengan que trabajar.


Magnetorresistencias
Las magnetorresistencias se basan en la variación de resistencia en un conductor por variaciones en el campo magnético. Este efecto se denomina efecto magnetorresistivo y fue descubierto por Lord Kelvin en 1856. Este tipo de sensores tiene la ventaja con respecto a los sensores inductivos, por ser de orden cero, y con respecto a los sensores de efecto Hall por ser más sensible y proveer un mayor margen de medición de medición. Está formada por una aleación de Hierro y Níquel (permalloy).

Tiene las siguientes aplicaciones:

· Medición de campos magnéticos en las lectoras de tarjetas.
· Otras magnitudes que provean un cambio en el campo magnético, como el desplazamiento de una pieza, detectores de proximidad, nivel de flotador, etc. En estos casos se utiliza un imán que cambia su posición con el proceso. El campo generado por el imán es medido por la magnetorresistencia.


Fotorresistencias
Una fotorresistencia es un componente electrónico cuya resistencia disminuye con el aumento de intensidad de luz incidente. Está hecha de un semiconductor de alta resistencia. Si la luz que incide en el dispositivo es de alta frecuencia, los fotones son absorbidos por la elasticidad del semiconductor dando a los electrones la suficiente energía para saltar la banda de conducción. El electrón libre que resulta (y su hueco asociado) conduce electricidad, de tal modo que disminuye la resistencia.

Propiedades
· Solo componentes con terminales.
· Sensores de diferente tamaño.
· Impermeables o sobre sustrato de cerámica.
· Sensitivos en el espectro visible.

Aplicaciones
· Control de iluminación.
· Retrovisor de automóvil automático.

Higrómetros Resistivos
Un higrómetro resistivo es un aparato cuya resistencia cambia con los cambios en la humedad del aire en contacto con el aparato. El aparato tiene dos electrodos de cinta metálica los cuales no se tocan, y están aislados eléctricamente entre ellos por una forma de plástico. Tambien tiene una solución de cloruro de litio para recubrir por completo todo el dispositivo.

A medida que la humedad relativa del aire aumenta, la película de cloruro de litio absorbe más vapor de agua del aire. Esto hace que su resistencia disminuya marcadamente. Debido a que la película de cloruro de litio está en contacto íntimo con los dos electrodos metálicos, la resistencia entre las terminales de los electrodos también disminuye marcadamente. La resistencia entre las terminales puede relacionarse entonces con la humedad relativa.

Los transductores de higrómetro resistivo no pueden usarse a través del rango completo de humedades relativas (de 0% a 100%). La mayoría de ellos tienen un límite superior seguro de operación de un 90% de RH. La exposición al aire con una humedad relativa mayor a 90% puede dar como resultado una excesiva absorción de agua de la película de cloruro de litio. Una vez que esto ocurre, las características de resistencia del higrómetro se alteran de manera permanente.

Acondicionamiento: Puente de Wheastone, Amplificador de Instrumentación.

Puente de Wheastone
Un puente de Wheatstone DOH es un instrumento eléctrico de medida inventado por. Samuel Hunter Christie en 1832, mejorado y popularizado por Sir Charles Wheatstone en 1843. Se utiliza para medir resistencias desconocidas mediante el equilibrio de los brazos del puente. Estos están constituidos por cuatro resistencias que forman un circuito cerrado, siendo una de ellas la resistencia bajo medida.

Cuando el puente está construido de forma que R3 es igual a R2, Rx es igual a R1 en condición de equilibrio. (Corriente nula por el galvanómetro).

Asimismo, en condición de equilibrio siempre se cumple que:

Variantes del puente de Wheatstone se pueden utilizar para la medida de impedancias, capacidades e inductancias.

Amplificador de Instrumentación
Un amplificador de instrumentación es un dispositivo creado a partir de amplificadores operacionales. Está diseñado para tener una alta impedancia de entrada y un alto rechazo al modo común (CMRR). Se puede construir a base de componentes discretos o se puede encontrar encapsulado.

Su fórmula es:
Si R2 y R3 son iguales entonces queda simplificada:

Sensores De Reactancia Variable
La variación de la reactancia de un componente o circuito ofrece alternativas de medida a las disponibles en sensores resistivos. Muchas de ellas no requieren contacto físico con el sistema donde se va a medir, o bien tienen un efecto de carga mínimo. En concreto, ofrecen soluciones mejores para mediciones de desplazamientos lineales y angulares, en el caso de tratar con materiales ferromagnéticos, y para las medidas de humedad.

Sensores Capacitivos
Los sensores capacitivos detectan los cambios provocados por estas sustancias en el campo eléctrico de su área de detección. La evaluación de los cambios proporciona información exacta sobre la presencia de objetos en esta área o, por ejemplo, los niveles de material en contenedores y silos.

Características
-Alto nivel de estabilidad con temperatura.
-Alcances de detección mejorados para reservas funcionales.
-Nivel elevado de inmunidad contra:
-Descarga electrostática, p. ej. en la producción de plástico o madera
-Interferencias electromagnéticas, p. ej., causadas por receptores radiotelefónicos y teléfonos móviles
-Voltaje de choque de interferencia causado por dispositivos de conmutación o válvulas solenoides
-Alta frecuencia conducida, p. ej. convertidores de frecuencia o fuentes de alimentación conmutadas.

Condensador Variable
Un condensador variable es un condensador cuya capacidad puede ser modificada intencionalmente de forma mecánica o electrónica. Son condensadores provistos de un mecanismo tal que, o bien tienen una capacidad ajustable entre diversos valores a elegir, o bien tienen una capacidad variable dentro de grandes límites. Los primeros se llaman trimmers y los segundos condensadores de sincronización, y son muy utilizados en receptores de radio, TV, etcétera, para igualar la impedancia en los sintonizadores de las antenas y fijar la frecuencia de resonancia para sintonizar la radio.

Condensador Diferencial
La ventaja de los condensadores diferenciales está en que proveen una salida lineal y permiten la medida tan pequeña como 10-13 mm a 10 mm, y capacidades desde 1 pF a 100 pF. Consiste en un principio similar al de los sensores resistivos diferenciales: mientras uno se incrementa el otro disminuye en la misma proporción, y viceversa.

Acondicionamiento: Divisor de tensión, Amplificador de Carga, Amplificador de Transconductancia

Divisor de tensión
Un divisor de tensión es una configuración de circuito eléctrico que reparte la tensión de una fuente entre una o más impedancias conectadas en serie.

Supóngase que se tiene una fuente de tensión Vf, conectada en serie con n impedancias.

Divisor de tensión con dos resistenciasPara conocer el voltaje en la impedancia genérica Zi, se utiliza la ley de Ohm:

Sustituyendo la segunda ecuación en la primera se obtiene que el voltaje en la impedancia genérica Zi será:

Obsérvese que cuando se calcula la caída de voltaje en cada impedancia y se recorre la malla cerrada, el resultado final es cero, respetándose por tanto la segunda ley de Kirchhoff.

Amplificador de Carga
Es un circuito cuya impedancia de entrada es un elemento capacitivo. Su función es obtener una tensión de salida proporcional a la carga del capacitor y entregarla a una tensión de salida baja. En general es un convertidor de carga a tensión; su configuración inicial fue propuesta por W.P Kistler y consistió en un amplificador operacional con un condensador como única rama de realimentación.

Sus aplicaciones más importantes se tienen en acondicionamiento de sensores con impedancia de salida muy alta, especialmente en sensores capacitivos y piezoresistivos.

Para el amplificador de carga de la figura su principio de funcionamiento es la transferencia de carga del sensor a un condensador conocido Co y medir la tensión en bornes a través del amplificador, el voltaje de salida es:

Donde el factor de amplificación G es mucho mayor a 1.

La respuesta del circuito anterior es compleja y debe considerar los siguientes factores:

-Capacitancias de los conductores.
-El condensador Co debe ser de precisión.
-La resistencia de fuga del sensor y del cable.
-La corriente de desequilibrio del amplificador.

Amplificador de Transconductancia
Los amplificadores operacionales de transconductancia son amplificadores operacionales cuya salida, en lugar de ser una fuente de tensión de baja impedancia como en los amplificadores operacionales convencionales, es una fuente de corriente de alta impedancia, controlada mediante tension diferencial de entrada.

Sensores Inductivos
Los sensores inductivos son una clase especial de sensores que sirven para detectar materiales metálicos ferrosos. Son de gran utilización en la industria, tanto para aplicaciones de posicionamiento como para detectar la presencia de objetos metálicos en un determinado contexto (control de presencia o de ausencia, detección de paso, de atasco, de posicionamiento, de codificación y de conteo).

Reluctancia Variable
Este tipo de sensor se basa en la ley:

donde φ es el flujo de campo magnético, I es la corriente y N es el número de vueltas del inductor. Pero el flujo magnético es igual al cociente entre la fuerza magnetomotriz M y la reluctancia magnética R, y además, M = NI, por lo que:

Para una bobina de longitud L y sección de área A, donde la longitud sea mucho mayor que el diámetro de las espiras se tiene:
Donde μr es la permeabilidad relativa del núcleo
L = recorrido de las líneas de campo en el aire.
A = Area de las bobinas.

Normalmente se aprovechan las variaciones de la longitud y de la permeabilidad. Cuando lo que varía es la distancia L se está hablando de sensores de entrehierro variable, y cuando lo que varia es la permeabilidad se dice que se está hablando de sensores de núcleo móvil.

Esto sensores tiene los siguientes problemas:

a. Los campos magnéticos parásitos afectan a L, por lo que se deben apantallar.
b. La relación L y R no es constante y varía hacia los extremos.
c. L y R son inversamente proporcionales, por lo que las medidas serán normalmente no lineales.
d. La temperatura de trabajo debe ser menor a la de Curie del material usado.

Por contra tienen las siguientes ventajas:

a. La humedad los afecta muy poco.
b. Tiene poca carga mecánica.
c. Y una alta sensibilidad.

Inductancia Mutua
Este tipo de sensores se basa en la variación de la inductancia mutua entre un primario y cada uno de los dos secundarios al desplazar el núcleo. La denominación LVDT viene de Linear Variable Differential Transformer.

Aunque este dispositivo cambia la impedancia mutua, la salida es una tensión alterna modulada, no un cambio de impedancia. Tiene como limitaciones que en el centro la inductancia mutua no se anula, por deficiencias en el proceso de construcción. Además existe la presencia de armónicos en la salida.

Sin embargo tiene las siguientes ventajas:

a. Resolución infinita.
b. Poca carga mecánica.
c. Bajo rozamiento: vida ilimitado y alta fiabilidad.
d. Ofrecen aislamiento eléctrico entre el primario y el secundario.
e. Aísla el sensor (vástago) del circuito eléctrico
f. Alta repetibilidad.
g. Alta linealidad.
h. Tiene alcances desde 100 micrometro hasta 25 centímetros.

Sensores Electromagneticos
Los sensores electromagnéticos son aquellos en los que una magnitud física puede producir una alteración de un campo magnético o de un campo eléctrico, sin que se trate de un cambio de inductancia o de capacidad. Se tienen dos tipos:

Basados en la Ley de Faraday
Estos sensores se utilizan en tacogeneradores o tacómetros de AC (generadores de energía eléctrica) para medir la velocidad angular w. La ley de Faraday dice: “En un circuito magnético o bobina con N espiras con un flujo magnético φ=f(t) se induce una tensión:”

Se basa en el principio de que una variación en el flujo magnético sobre una bobina, genera una fuerza electromotriz.

Las condiciones que deben cumplirse para poder usar este tipo de medidor son:

-Perfil de velocidades simétrico.
-Tubería no metálica ni magnética: teflón o cerámica.
-Electrodo de acero o titanio.
-Tubería llena.
-Campo magnético continúo o alterno.
-Ideal para aguas residuales, líquidos corrosivos o con sólidos en suspensión.



Basados en el efecto Hall
Son empleados en la medida de campos magnéticos (gaussímetros), medida de corriente (amperímetros) y medida de potencias (vatímetros). El voltaje Hall es la diferencia de potencial que se crea en las superficies de una barra conductora, cuando por ésta fluye una corriente y está sometida a un campo magnético. En la siguiente gráfica se muestra un ejemplo de medición de corriente en donde, Iin crea B, a su vez B crea VH que es proporcional a Iin (Ibias = constante).

Tiene como limitación:
-La temperatura cambia la resistencia del material.
-Hay un error de cero debido a inexactitudes físicas,

Tiene como ventajas:
-Salida independiente de la velocidad de variación del campo magnético.
-Inmune a las condiciones ambientales.
-Sin contacto.
-Se puede aplicar a la medida de campos magnéticos, medida de desplazamientos, etc.