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Sensores Generadores
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PROCESOSINDUSTRIALES
SENSORES GENERADORES
NOMBRE: JONATHAN SALLONIJOSE MANQUICOY
CARRERA: INGENIERÍA ELÉCTRICAASIGNATURA: PROCESOS INDUSTRIALESPROFESOR: PRUDENCIO FECHA: 29/10/2015
SENSORES GENERADORES
Se describen como sensores generadores todos aquellos que generen tensión a
partir de las mismas magnitudes que miden, estás magnitudes usualmente son
temperatura, fuerza, presión y magnitudes afines, sin tener una alimentación
eléctrica de entrada.
Existen distintos tipos de sensores generadores, los cuales con:
1. Termoeléctricos
2. Piezoeléctricos
3. Piroeléctricos
4. Fotovoltaicos
1. Termoeléctricos
Los sensores termoeléctricos basan sus principios de funcionamiento en dos efectos
que a diferencia del efecto Joule son reversibles. Estos efectos son el efecto Peltier y
el efecto Thomson. Los 2 efectos dan lugar al efecto Seebeck, en el que se basan los
termopares.
¿Qué es efecto reversible?
Se basa en la aparición de una señal a, a partir de una señal b, se denomina efecto
reversible cuando a partir de la señal b, se puede generar la señal a. en el caso de
los sensores, se trata de la generación de acciones no eléctricas a partir de señales
eléctricas y viceversa (Efecto Peltier y Thomson).
¿Qué es efecto irreversible?
Se basa en la aparición de una señal A, a partir de una señal B, se denomina efecto
irreversible cuando a partir de la señal B, no se puede generar la señal A. (efecto
joule)
¿Qué es efecto termoeléctrico?
El efecto termoeléctrico en un material relaciona el flujo de calor que lo recorre con
la corriente eléctrica que lo atraviesa. Este efecto es la base de las aplicaciones de
refrigeración y de generación de electricidad: un material termoeléctrico permite
transformar directamente el calor en electricidad, o bien generar frío cuando se le
aplica una corriente eléctrica.
Efecto Seebeck
Dice 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 electromotriz 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 tensión se puede calcular con la siguiente formula:
V=∫T 1
T 2
(SB (T )−S A (T ) )dt
Donde:
SB y SB: son los coeficientes Seebeck
A y B: metales en función de la temperatura
T1 y T2: son las temperaturas de las uniones
Los coeficientes de Seebeck no son lineales en función de la temperatura, y
dependen de la temperatura absoluta de los conductores de su material y estructura
molecular. Si los coeficientes Seebeck son efectivamente constante para el rango de
temperatura medida, la fórmula anterior se puede aproximar como:
V= (SB−S A )∗(T 2−T 1)
El efecto Seebeck es usado en el termo coplas, varios termos coplas conectadas en
serie se llaman una termopila, que a veces se construye con el fin de aumentar la
tensión de salida ya que el voltaje inducido en cada pareja individual es pequeño.
La potencia termoeléctrica o el coeficiente de Seebeck de un material, mide la
magnitud de un voltaje inducido termoeléctricamente en respuesta a una diferencia
de temperatura a través de ese material. Las potencia termoeléctrica tiene unidades
de VK
, aunque en la práctica es más común el uso de micro voltios por kelvin. Los
valores de los cientos de mVK
, negativo o positivo, son típicos de buenos materiales
termoeléctricos
Donde S es el coeficiente de Seebeck
S= ∆V∆T
Ejemplo de efecto Seebeck
La temperatura promedio en la zona del Caribe de la superficie del mar está entre los
30-28 grados Centígrados y la temperatura del fondo entre los 5-3 grados
Centígrados lo que da una diferencial promedio de 25 grados centígrados (∆T )
Cada termo copla del sistema está conformada por una aleación de materiales Bi Se
Te (Bismuto, Telurio y Antimonio).
El coeficiente de Sebeeck de cada termo copla es 433.3 Micro-voltios/K
El voltaje de salida de cada termo copla
S= ∆V∆T
∆T∗S=∆V
Reemplazando
433.3mVK
∗273 ° K=∆V
Por lo tanto
0.1182909V=∆V
A modo de ejemplo daremos una resistencia de 0.19 ohm con un largo de 150
metros.
P=V 2
R
P=(0.1182909v )2
0.19=0.0736watts
La potencia deseada es de un 1 Mega watts.
Una termocupla genera 0.0736 watts, por lo tanto
1∗106
0.0736=13.586 .956 termocuplas
Propondremos unas termopilas las cuales contienen 55 termocuplas en su interior,
por lo tanto se necesitan 247036 termopilas para generar 1 Mw
Efecto Peltier
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 es lineal y viene descrita por el coeficiente de Peltier que se define
como el calor generado en la unión entre A y B por unidad de corriente que circula de
B hacia A para una unión a temperatura T, y está definido por:
π AB=T (SB−S A )=−πBA
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 Thomson
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 dtdx
[ ° Cm ], por el que circula una
densidad de corriente i, será:
q=iσ ( dTdx )−i2r
Donde
σ= coeficiente de Thomson
Cabe destacar se puede separar de la siguiente fórmula
iσ ( dTdx )= Efecto Thomson
i2r= Efecto Joule
2. 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.
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.
Por lo tanto los se clasifican en:
Naturales más comunes: El cuarzo y la turmalina.
Sintéticos: 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 piezoeléctricos son delicuescentes.
Ventajas
Alta sensibilidad y bajo coste.
Alta rigidez mecánica (deformaciones experimentadas < 1microm), apta para
medir variables esfuerzo (fuerza presión).
3. 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.
Si la variación de temperatura DT, es uniforme en todo el material, el efecto
piroeléctrico se describe mediante el coeficiente piroeléctrico, p, que es un vector de
la forma.
∆ P⃗= p⃗ ∆T
Donde la polarización instantánea es:
∆Q=A∗∆ P
∆Q=A∗p ∆T
Donde
DQ: Carga Inducida.
DT: es el incremento de temperatura experimentado por el sensor.
A: Grosor del detector
La tensión obtenida en el sensor es igual a:
V 0=∆QC
=∆QbεA
= pbε
∗∆T
Donde la sensibilidad a la tensión viene dada por la ecuación de Cooper
R v=
opCE εA
∗τ
(1+ω2 τ2 )12
V /W
Donde
R v: Es la sensibilidad a la tensión o responsividad en tensión
A: Fracción incidente que se transforma en calor
p: Coeficiente piroeléctrico del material
τ : Constante de tiempo térmica
CE: Calor específico volumétrico
o: 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 nanos joule hasta joule. 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
Detección de pulsos láser de alta potencia
En termómetros de alta resolución (6x10 °C).
Células Peltier
Estás células se basan en el fenómeno del efecto Peltier y lo hacen al establecer una
diferencia de temperatura entre las dos caras de la célula, esta diferencia depende
de la temperatura ambiente donde este situada la célula, y del cuerpo que queramos
enfriar o calentar. Su uso más bien es para enfriar, ya que para calentar existen las
resistencias eléctricas, que son mucho más eficientes en este cometido que las
células, estas son mucho más eficaces refrigerando.
Aplicaciones
Las aplicaciones prácticas de estas células son infinitas ya que son muchas las
aplicaciones en que es necesario utilizar el frío y al mismo tiempo, el calor. Estas
células están compuestas de dos materiales semiconductores, uno con canal N y otro
con canal P, unidos entre sí por una lámina de cobre.
Si en el lado del material N se aplica la polaridad positiva de alimentación en el lado
del material P la polaridad negativa, la placa de cobre de la parte superior enfría,
mientras que la inferior calienta. Si en esta misma célula, se invierte la polaridad de
alimentación, es decir, se aplica en el lado del material N la polaridad negativa y en
el lado del material P la positiva, se invierte la función de calor / frío: la parte superior
calienta y la inferior enfría.
Físicamente los elementos de un módulo Peltier son bloques de 1 mm3 conectado
eléctricamente en serie y térmicamente en paralelo.
Hoy en día se construyen sólidamente y en tamaño de una moneda. Los
semiconductores están fabricados con Teluro y Bismuto para ser tipo P o N (buenos
conductores de electricidad y malos del calor) y así facilitar el trasvase de calor del
lado frío al caliente por el efecto de una corriente continua.
