Grupo de Tecnología Industrial Sensores generadoresarmando2k.brinkster.net/instrumeca/sen-gen.pdf · Sistemas electrónicos y automáticos 3 Grupo de Tecnología Industrial Sensores

Sistemas electrnicos y automticosSistemas electrnicos y automticos 11

Grupo de Grupo de Tecnologa IndustrialTecnologa Industrial

SensoresSensores generadoresgeneradores

nn SENSORES GENERADORESSENSORES GENERADORES Definicin:Definicin:

SensoresSensores generadores son aquellos que generan una seal elctrica generadores son aquellos que generan una seal elctrica a partir de la magnitud que miden, sin necesidad de una a partir de la magnitud que miden, sin necesidad de una alimentacin elctrica.alimentacin elctrica.

Tipos:Tipos: Sensores Sensores termoelctricos: termoparestermoelctricos: termopares Sensores Sensores piezoelctricospiezoelctricos Sensores piroelctricosSensores piroelctricos Sensores Sensores fotovoltaicosfotovoltaicos Sensores Sensores electroqumicoselectroqumicos




nn SENSORES GENERADORESSENSORES GENERADORES Tipos:Tipos:

Sensores Sensores termoelctricos: termoparestermoelctricos: termopares Sensores Sensores piezoelctricospiezoelctricos Sensores piroelctricosSensores piroelctricos Sensores Sensores fotovoltaicosfotovoltaicos Sensores Sensores electroqumicoselectroqumicos



SensoresSensores termoelctricos: Termoparestermoelctricos: Termopares

nn Estn basados en elEstn basados en el efecto efecto SeebeckSeebeck,,(suma de los efectos (suma de los efectos PeltierPeltier y y ThompsonThompson):):

En un circuito con dos metales distintos homogneos, A y B, cuyaEn un circuito con dos metales distintos homogneos, A y B, cuyas s uniones estn a diferentes temperaturas, aparece una corriente uniones estn a diferentes temperaturas, aparece una corriente electricaelectrica (o se produce una (o se produce una femfem))

T1 T2

A

B

iT2T1

A

B

+ v -

Circuito cerrado corriente Circuito abierto tensin




nn Al conjunto de estos dos metales distintos con una unin firme eAl conjunto de estos dos metales distintos con una unin firme en n un punto o una zona se le denomina un punto o una zona se le denomina termopartermopar

T2T1

A

B

+ v -

v = (T1-T2)

= coeficiente de Seebeck

es no cte y no lineal, se utilizan tablas

nn Una de las dos temperaturas se debe tomar como referencia:Una de las dos temperaturas se debe tomar como referencia:

v = (T1-Tref)




nn Ventajas del uso de termopares:Ventajas del uso de termopares: Rango de temperaturas grande: Rango de temperaturas grande: --270C 270C 3000 3000 CC Para bajas temperaturas tienen mayor exactitud que las Pt100Para bajas temperaturas tienen mayor exactitud que las Pt100 No necesitan alimentaciNo necesitan alimentacinn Estabilidad a largo plazo aceptable y fiabilidad elevadaEstabilidad a largo plazo aceptable y fiabilidad elevada

nn Limitaciones en el uso de termopares:Limitaciones en el uso de termopares: La temperatura mxima que alcance el termopar debe ser inferior La temperatura mxima que alcance el termopar debe ser inferior a su a su

temperatura de fusintemperatura de fusin El medio donde se va a medir no ataca a los metales de la uniEl medio donde se va a medir no ataca a los metales de la uninn La corriente por el termopar debe ser muy pequeLa corriente por el termopar debe ser muy pequea para despreciar el a para despreciar el

efecto Jouleefecto Joule Hay que mantener la temperatura de referencia fijaHay que mantener la temperatura de referencia fija




nn Tipos de termoparesTipos de termopares




nn Tabla de tensiones vs. TemperaturaTabla de tensiones vs. TemperaturaPara un termopar tipo J entre 0C y 110C. Para un termopar tipo J entre 0C y 110C. La unin de referencia se supone a 0C. La unin de referencia se supone a 0C. Las tensiones en mV.Las tensiones en mV.




nn Ejemplo:Ejemplo: Un circuito constituido por un termopar tipo J tiene una unin aUn circuito constituido por un termopar tipo J tiene una unin a 0C y 0C y

otra a 45C. Cul es la otra a 45C. Cul es la ftemftem en un circuito abierto?en un circuito abierto?

nn Ejemplo:Ejemplo: Si en un termopar tipo J con una unin a 0C, se obtiene, en cirSi en un termopar tipo J con una unin a 0C, se obtiene, en circuito cuito

abierto un tensin de 5mV, Cul es la temperatura de la otra unabierto un tensin de 5mV, Cul es la temperatura de la otra unin?in?




nn Ejemplos de configuraciones de medida de temperatura con Ejemplos de configuraciones de medida de temperatura con termopar: termopar: Unin de referencia en hielo fundenteUnin de referencia en hielo fundente

T1

T2

A

B

Multmetro

A

hielo fundente 0C

v = AB T1- BA T2 =

AB (T1 - T2) = AB T1

T2 = 0C




nn Ejemplos de configuraciones de medida de temperatura con Ejemplos de configuraciones de medida de temperatura con termopar: termopar: Compensacin electrnica de la unin de referencia.Compensacin electrnica de la unin de referencia.

T1

T2

A

B

Multmetro

A

Bloque isotrmico

Dejar que la unin de referencia sufra las variaciones de

temperatura ambiente, pero stas se detectan con otro sensor de T

(p.ej. un termistor)Tref




Termopar industrial con vaina



SensoresSensores PiezoelctricosPiezoelctricos

nn Efecto piezoelctrico:Efecto piezoelctrico: Consiste en la aparicin de una polarizacin elctrica en un matConsiste en la aparicin de una polarizacin elctrica en un material al erial al

deformarse bajo la accin de un esfuerzo. deformarse bajo la accin de un esfuerzo. Es un efecto reversible: al aplicar una Es un efecto reversible: al aplicar una ddp ddp entre 2 caras de un material entre 2 caras de un material

piezoelctrico, aparece una deformacinpiezoelctrico, aparece una deformacin

F

q

Aparece una carga proporcional a la fuerza que se les aplica.

La carga que aparece no se mantiene, surge como respuesta a una aceleracin.




nn Sensibilidad de un material piezoelctrico:Sensibilidad de un material piezoelctrico:




nn Aplicaciones de los Aplicaciones de los sensoressensores piezoelctricos:piezoelctricos: Deteccin de magnitudes mecnicas:Deteccin de magnitudes mecnicas:

PresinPresin AceleracinAceleracin

En biomedicina: Sensor de esfuerzos respiratorios, cardiovasculaEn biomedicina: Sensor de esfuerzos respiratorios, cardiovascularesres





SensoresSensores termoelctricos: termoparestermoelctricos: termopares Sensores Sensores piezoelctricospiezoelctricos Sensores piroelctricosSensores piroelctricos Sensores Sensores fotovoltaicosfotovoltaicos Sensores Sensores electroqumicoselectroqumicos



SensoresSensores PiroelctricosPiroelctricos

nn Efecto Efecto piroelctricopiroelctrico:: Anlogo al piezoelctrico, pero en lugar de la aparicin de cargAnlogo al piezoelctrico, pero en lugar de la aparicin de cargas as

elctricas cuando se deforma el material, aqu se trata de la elctricas cuando se deforma el material, aqu se trata de la aparicin de cargas superficiales en una direccin determinada aparicin de cargas superficiales en una direccin determinada cuando el material experimenta un cambio de temperatura.cuando el material experimenta un cambio de temperatura.

Estas cargas son debidas al cambio de su polarizacin espontneaEstas cargas son debidas al cambio de su polarizacin espontneaal variar la temperaturaal variar la temperatura

TpP =rr

Polarizacin espontnea

Coeficiente piroelctrico

Temperatura



SensoresSensores PiroelctricosPiroelctricos

nn Aplicaciones:Aplicaciones: Pirmetros: medida de temperatura a distancia en hornos, vidrio,Pirmetros: medida de temperatura a distancia en hornos, vidrio, o o

metal fundidometal fundido Radimetros: medida de la potencia generada por una fuente de Radimetros: medida de la potencia generada por una fuente de

radiacinradiacin Analizadores de IRAnalizadores de IR Detectores de CODetectores de CO2 2 y otros gases que absorben radiaciny otros gases que absorben radiacin Deteccin de la IR emitida por el cuerpo humano (para deteccin Deteccin de la IR emitida por el cuerpo humano (para deteccin

de intrusos, sistemas de encendido automtico de iluminacin, de intrusos, sistemas de encendido automtico de iluminacin, apertura de puertas,...)apertura de puertas,...)





Sensores Sensores termoelctricos: termoparestermoelctricos: termopares SensoresSensores piezoelctricospiezoelctricos Sensores piroelctricosSensores piroelctricos Sensores Sensores fotovoltaicosfotovoltaicos Sensores Sensores electroqumicoselectroqumicos



SensoresSensores FotovoltaicosFotovoltaicos

nn Efecto fotovoltaico:Efecto fotovoltaico: El efecto fotoelctrico interno visto para los fotoconductores El efecto fotoelctrico interno visto para los fotoconductores

cuando se produce en la zona de una unin pcuando se produce en la zona de una unin p--n permite obtener n permite obtener una tensin elctrica que es funcin de la intensidad de la radiuna tensin elctrica que es funcin de la intensidad de la radiacin acin incidenteincidente

A la generacin de un potencial cuando una radiacin ioniza una A la generacin de un potencial cuando una radiacin ioniza una zona donde hay una barrera de potencial se la denomina zona donde hay una barrera de potencial se la denomina efecto efecto fotovoltaicofotovoltaico

-- --

-

---

++

++

+

++

+

P N




nn Efecto Efecto fotoelctrico o fotoelctrico o fotovoltaico en fotovoltaico en una unin puna unin p--n:n:




nn Tipos de clulas solares (Si):Tipos de clulas solares (Si): monocristalinasmonocristalinas policristalinaspolicristalinas pelcula finapelcula fina



SensoresSensores ElectroqumicosElectroqumicos

nn Fundamento:Fundamento: Los Los sensores sensores electroqumicos electroqumicos potenciomtricos potenciomtricos generan una seal generan una seal

elctrica (una elctrica (una ddpddp) en respuesta al cambio de concentracin de una ) en respuesta al cambio de concentracin de una determinada especie qumica en una muestradeterminada especie qumica en una muestra

LosLos sensoressensores electroqumicos electroqumicos potenciomtricos potenciomtricos de de ion ion (ISE, Ion (ISE, Ion SelectiveSelective ElectrodesElectrodes) se basan en la aparicin de una ) se basan en la aparicin de una ddp ddp en la en la interfase entre 2 fases con concentraciones distintas. (fundameninterfase entre 2 fases con concentraciones distintas. (fundamento to de las pilas voltaicas)de las pilas voltaicas)




nn Cuando slo hay una especie inica cuya concentracin cambia de Cuando slo hay una especie inica cuya concentracin cambia de una a otra fase, o si, a pesar de haber ms de una, una membranauna a otra fase, o si, a pesar de haber ms de una, una membranaselectiva slo deja pasar un in especfico, la tendencia de dicselectiva slo deja pasar un in especfico, la tendencia de dicho in a ho in a difundirse de la zona con ms concentracin a la de menor difundirse de la zona con ms concentracin a la de menor concentracin viene contrarrestada por la aparicin de un potencconcentracin viene contrarrestada por la aparicin de un potencial ial elctrico debido a la carga del in.elctrico debido a la carga del in.elctricaelctricaEn el equilibrio entre ambas fuerzas (difusin y potencial elctEn el equilibrio entre ambas fuerzas (difusin y potencial elctrico),rico),la la ddp ddp viene dada por la ecuacin de viene dada por la ecuacin de NernstNernst::

=

2,i

1,i

a

aln

zFRT

ER = cte de los gases

T = temp en K

z= valencia del ion

F = 1 Faraday (96500C)

ai = actividad del in i




nn Disposicin de medida empleando un electrodo de in Disposicin de medida empleando un electrodo de in especfico:especfico:

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