SENSORES DIGITALES

Indice:

TEMA V: SENSORES DIGITALES

1. Los codificadores de posición:

1.1 Codificadores incrementales:
1.2 Codificadores Absolutos:
1.3 Codificadores de posición angular

2. Codificador rotatorio

2.1 Codificador rotatorio absoluto
2.1.1 Construcción
2.1.2 Codificación binaria estándar
2.1.3 Codificación con código de Gray
2.2 Codificador rotatorio relativo
2.3 Codificador rotatorio limitado

3. Sensores auto resonantes

3.1 Principio de funcionamiento de los sensores autorresonantes
3.2 Tipos de sensores autorresonantes
3.2.1 Sensores Basados en ondas superficiales
3.2.2 Galgas Acústicas
3.2.3 Cilindros Vibrantes
3.2.4 Sensores Resonadores de Cuarzo
3.3 Micro balanzas de cuarzo
3.3.1 Principio de funcionamiento de sensores de cuarzo
3.3.2 Circuito Equivalente
3.3.3 Construcción de microbalanzas de cuarzo
3.3.4 Sistema de acondicionamiento
3.3.5 Aplicación de microbalanza de cuarzo
3.3.5.1-Biomateriales
3.3.5.2- Superficies funcionales
3.3.5.3- Formación de capas delgadas
3.3.5.4- Surfactantes
3.4 Caudalimetro de Vórtice
3.5.- Otras Investigaciones Químicas

4. Problema practico industrial

4.1 Análisis de Compuesto del Agua
4.2 Usos

5. Otros métodos de detección.

5.1. Basado en uniones semiconductoras. Construcción y circuitos de acondicionamiento
5.2. Basados en ultrasonidos. Construcción y circuito de acondicionamiento
5.3 Basado en fibras ópticas. Construcción y circuito de acondicionamiento.
5.3.1 Ventajas De La Fibra Óptica
5.3.2 Parámetros De Una Fibra Óptica





TEMA V SENSORES DIGITALES

Figura 1 sensores digitales

Los sensores digitales se encuentran divididos en dos clases:

1. Los codificadores de posición:

Son aquellos que ofrecen directamente una señal digital a partir de una entrada analógica.

1.1 Codificadores incrementales:

Son codificadores que deben estar unidos solidariamente al elemento cuya posición desea medirse. Estos elementos poseen regularmente dos zonas, con propiedades únicas que las diferencian, cuya disposición es equidistante y alternativa.
La resolución de un sensor digital esta dado por:

Donde D es el diámetro del disco y X es al ancho de cada sector codificado (Ver figuras 2,3y4).
La simplicidad y economía de este tipo de sensores contrasta con los inconvenientes que presenta:
-Pérdida de información sobre la posición cuando falla la alimentación del sistema
-Pérdida de información en presencia de interferencias
-Requerimiento de electrónica especial, como contadores bidireccionales, para acondicionarlos a los elementos de análisis.
No detecta el sentido de avance si no se dispone de elementos adicionales como otra pista codificada, circuitos electrónicos y otra bobina sensora que dé una señal desfasada 90° respecto a la anterior y un detector de fase que dará una indicación del sentido de giro. Para circuitos ópticos y de contacto se añade una línea de sectores codificados que esté ligeramente desfasada con respecto a la primera y un elemento de lectura adicional.
Los codificadores incrementales pueden ser del tipo magnético, eléctrico u óptico y su salida puede ser en forma de tren de pulsos con un ciclo de trabajo del 50%.
Los magnéticos pueden ser de bobina e imán, de imán y sensor magnetorresistivo o de núcleo toroidal. Los codificadores eléctricos pueden ser capacitivos o de contacto. Los codificadores ópticos pueden estar basados en sectores opacos y transparentes, en sectores reflectores y no deflectores, o en franjas de interferencia. Éstos últimos normalmente cuentan con un LED infrarrojo y un foto detector (LDR: célula fotoeléctrica o fototransistor)
Un codificador incremental de rotación está formado por un disco con ranuras radiales ubicadas por lo general muy juntas en toda su circunferencia, o sino con líneas alternadas en color claro y oscuro, que giran frente a un foto sensor (o un conjunto de éstos, para más precisión), generando un pulso por cada ranura o cambio de color.

1.2 Codificadores Absolutos:

Los codificadores absolutos entregan una salida codificada que indica la posición del elemento móvil con respecto a una referencia. El elemento móvil cuenta con zonas que permiten distinguir y asignárseles valores de uno o cero.

Figura 2. Principio de funcionamiento de los codificadores de posición absolutos

La principal diferencia con los codificadores incrementales es que cuenta con varias pistas con zonas diferenciadas y agrupadas, de tal forma que el sistema de lectura obtiene directamente, en cada posición del elemento móvil, el número codificado que da su posición. Cada pista representa un bit de la salida, siendo la pista más interior la correspondiente al bit de mayor resolución.
Los sensores más utilizados en este caso son los ópticos, con zonas opacas y transparentes y en menor medida, los de contacto, con zonas conductoras y aislantes.
Los Codificadores de posición son relativos a la medida y control de posiciones lineales y angulares con alta resolución, por lo anterior se emplean en: robótica, grúas, válvulas hidráulicas, plotters, máquinas (figura 3) — herramienta, posicionamiento de cabezales de lectura en discos magnéticos y de fuentes de radiación en radioterapia, radar, orientación de telescopios, etc.
Las figuras 4 y 5 enseñan discos codificadores absolutos


Figura 3 Brazo robot

Figura 4 y 5 Disco codificador absoluto en un código pseudoaleatorio

Los codificadores absolutos ópticos funcionan con un concepto similar al de los tipos incrementales, sólo que poseen un disco con un dibujo complejo, distribuido en anillos concéntricos que representan los bits de una palabra binaria.
Deben tener un detector óptico por cada uno de estos anillos. Por ejemplo un disco con 8 anillos (como el de la figura 6), tendrá una resolución de 8 bits, o sea que podrá dividir su circunferencia en 256 porciones (más de 1 grado, si hablamos de ángulo). Un disco con más anillos concéntricos ofrecerá más bits de resolución y dará un dato de posición angular más preciso.




Figura6 discos de codificador incremental


1.3 Codificadores de posición angular

Los transductores de la posición angular de un eje son componentes fundamentales en la tecnología de control. Es difícil encontrar sistemas mecánicos industriales automatizados que no tengan varios ejes de movimiento angular o lineal. Utilizando un acoplamiento directo o algún tipo de acoplamiento mecánico que realice la adaptación, un codificador de la posición angular se puede utilizar en el monitoreo de cualquier tipo de desplazamiento.


Métodos de codificación
Listamos los tipos de transductores de posición angular de eje que son comunes en control industrial:

Figura 7 Diagrama de un potenciómetro.En verde, el anillo de resistor


Potenciómetros
Dentro de un potenciómetro normal encontraremos un anillo circular de material resistivo (resistor). Sobre el eje del potenciómetro hay un contacto que gira, deslizándose sobre este material resistivo. La resistencia eléctrica entre un extremo del anillo y el contacto es proporcional a la posición angular del eje.
Si se aplica un voltaje entre los extremos del resistor del potenciómetro, el voltaje en el contacto varía en relación directa con la posición angular del eje. Este voltaje se puede ingresar a un convertidor analógico-digital (A/D) para obtener el valor digital de la posición angular.


Comparando técnicas
Los potenciómetros son útiles para aplicaciones con precisiones entre 0,5 a 5 %. Son los dispositivos más baratos que existen para este uso. Debido a que están sujetos a desgaste mecánico, su aplicación se limita a productos hogareños y en industrias donde no es importante la seguridad y duración.
Los codificadores incrementales son razonablemente baratos. Se los usa extensamente en la industria, aunque su rendimiento es casi marginal en entornos críticos. Los discos se pueden quebrar si reciben impactos y se pueden producir errores por condensación. La volatilidad de su salida puede hacerlos no aceptables en algunas aplicaciones.
Los codificadores absolutos cubren un rango que va desde los medianamente costosos a los de alto costo, dependiendo de la resolución necesaria. Como sus similares incrementales, en algunas aplicaciones extremas pueden tener algunas limitaciones de performance.
Sirven para realizar mediciones generalmente de posición lineal o angular y pueden ser incrementales o absolutos.


2. Codificador rotatorio

Un codificador rotatorio, también llamado codificador del eje, es un dispositivo electromecánico usado para convertir la posición angular de un eje a un código digital, lo que lo convierte en una clase de transductor. Estos dispositivos se utilizan en robótica, en lentes fotográficas de última generación, en dispositivos de entrada de ordenador (tales como el ratón y el Trackba, y en plataformas de radar rotatorias. Hay dos tipos principales: absoluto y relativo.

2.1 Codificador rotatorio absoluto

2.1.1 Construcción
El tipo absoluto produce un código digital único para cada ángulo distinto del eje.
Se corta un patrón complejo en una hoja de metal y se pone en un disco aislador, que está fijado al eje. También se coloca una fila de contactos deslizantes a lo largo del radio del disco. Mientras que el disco rota con el eje, algunos de los contactos tocan el metal, mientras que otros caen en los huecos donde se ha cortado el metal. La hoja de metal está conectada con una fuente de corriente eléctrica, y cada contacto está conectado con un sensor eléctrico separado. Se diseña el patrón de metal de tal forma que cada posición posible del eje cree un código binario único en el cual algunos de los contactos esté conectado con la fuente de corriente(es decir encendido y otros no (apagados). Este código se puede leer por un dispositivo controlador, tal como un microprocesador, para determinar el ángulo del eje.

2.1.2 Codificación binaria estándar
Un ejemplo de un código binario en un codificador extremadamente simplificado con solamente tres contactos, se demuestra abajo:


Figura 8 ejemplo de codificación binaria estándar

Generalmente, si hay 'n' contactos, el número de posiciones distintas del eje es 2ⁿ. En este ejemplo, 'n' es 3, así que hay 2³, es decir, 8 posiciones.
En el ejemplo anterior, los contactos producen una cuenta binaria a medida que el disco gira. Sin embargo, esto tiene la desventaja de que si el disco para entre dos sectores adyacentes, o los contactos no se alinean perfectamente, es imposible determinar el ángulo del eje. Para ilustrar este problema, se considera que el ángulo del eje cambia de 179.9º a 180.1º (sector 4 a sector 5). En cierto instante, según la tabla anterior, el patrón del contacto cambiará de "OFF-ON-ON" a "ON-OFF-OFF". Sin embargo, no sucede realmente. En un dispositivo práctico, los contactos nunca se alinean perfectamente, de modo que cada uno cambiará en diverso momento. Si el contacto 1 cambia primero, seguido por el contacto 3 y luego el contacto 2, por ejemplo, la secuencia real de códigos será:
*OFF-ON-ON (Posición de salida)
*ON-ON-ON (Primero, se activa el contacto 1)
*ON-ON-OFF (Después se desactiva el contacto 3)
*ON-OFF-OFF (Por último, se desactiva el contacto 2)

Ahora, mira los sectores que corresponden a estos códigos en la tabla. Así, de la secuencia de los códigos producidos, parece que el eje saltó del sector 4 al sector 8, entonces volvió al sector 7, y luego al sector 5, que es donde se esperaba encontrarlo. En muchos casos, este comportamiento es indeseable y podría fallar. Por ejemplo, si el codificador fuera utilizado en un brazo robótico el controlador pensaría que el brazo estaba en la posición incorrecta. Para corregir el error, intentaría girarlo 180º, pudiendo dañarlo.

2.1.3 Codificación con código de Gray
Para evitar el problema anterior, se utiliza el Código Gray. Éste es un sistema de código binario en el cual dos códigos adyacentes sólo se diferencian en una posición. Para entrar en contacto con el ejemplo dado arriba, la versión Grey-Cifrada será la siguiente:



Figura 9 ejemplo de codificación con código Gray

En este ejemplo, la transición del sector 4 al sector 5, como el resto de las transiciones, implica solamente uno de los contactos que cambian su estado de encendido a apagado o viceversa. Esto significa que la secuencia de los códigos incorrectos demostrados en la ilustración anterior no puede suceder aquí.

2.2 Codificador rotatorio relativo

El codificador rotatorio relativo (también llamado codificador incremental) se utiliza cuando los métodos de codificación absolutos sean demasiado incómodos (debido al tamaño del disco modelado). Este método también utiliza un disco unido al eje, pero este disco es mucho más pequeño marcado con una gran cantidad de líneas de la parte radial como los radios de una rueda. El interruptor óptico, parecido a un fotodiodo, genera un pulso eléctrico que una de las líneas pase a través de su campo visual. Un circuito de control electrónico cuenta los pulsos para determinar el ángulo con el cual el eje da vuelta.
Este sistema, en su forma más simple, no puede medir el ángulo absoluto del eje. Puede medir solamente el cambio en ángulo concerniente a cierto dato arbitrario, tal como posición del eje cuando la energía fue encendida. Esta incertidumbre no es un problema para los dispositivos de entrada de la computadora tales como ratones y TrackBall. Cuando la posición absoluta debe ser sabida, un segundo sensor puede ser agregado que detecta que el eje pasa por su posición cero.
El segundo problema de este sistema es que no puede decir qué dirección está rotando el eje. Para superar este problema, el sensor óptico se debe aumentar a dos sensores colocados en ángulos diversos alrededor del eje. La dirección de rotación se puede deducir en orden en la cual los dos sensores detecten cada línea radial. Este tipo de codificador se conoce como codificador de la cuadratura.

2.3 Codificador rotatorio limitado

Si el fabricante mueve un contacto a una diversa posición angular (en la misma distancia del eje del centro), después el patrón correspondiente al anillo necesita ser rotado el mismo ángulo para dar la misma salida. Si el pedacito más significativo (el anillo interno en el cuadro 1) se rota bastante, empareja exactamente el anillo hacia afuera.
Por muchos años, Torsten Sillke y otros matemáticos creyeron que era imposible codificar la posición respecto a un limitado de modo que las posiciones consecutivas diferencian en solamente un sensor, a excepción del sensor 2, codificador de la cuadratura de la uno-pista. Sin embargo, en 1996, Paterson y Brandestini publicaron un papel que demostraba que era posible, con varios ejemplos.

Uso Industrial
NOTA: esto se basa en la observación del campo.
La variante de la cuadratura es la más frecuente de uso industrial, aun cuando es sofisticado y los transductores absolutos más resistentes han estado en el mercado por un tiempo. La mayoría de los usos están satisfechos con una función auto guiada hacia el blanco inicial en energía hasta que alcanzan la colocación absoluta deseada. El cableado simple está asociado a los codificadores de la cuadratura. Y como tal, ha llegado a ser notablemente más barato que el resto de las operaciones de precisión. El único competidor serio que ha notado es el discernidor de imágenes. Esto será debido al discernidor de imágenes que es capaz de soportar así mismo los ambientes del picadillo como el funcionamiento de líquidos.
Otra tendencia que puede suceder son los transductores modernos que se diseñan al salir la cuadratura mientras señala que no son realmente codificadores de la cuadratura en todos.
Durante los 80 y los 90, el mouse, con el interior rotatorio de dos codificadores de la cuadratura era popular como socio al fenómeno de interfaz gráfica de usuario de levantamiento. Este aparato iba a ser utilizado como estación de trabajo pero fue considerado una aceptación mucho más grande para la computadora.
El codificador rotatorio vio que una declinación rápida en este papel como el ratón óptico llegó más lejos en la escena en el 2000. Como nota lateral, estos "opticales" también producen la cuadratura que señala, aun cuando el mercado masivo de la PC ha utilizado siempre el puerto serial del comando para recolectar los deltas.
Un ejemplo de codificadores tanto rotativos como lineales es la marca TR Electronic, marca alemana pionera en el mundo de los sistemas de posicionamiento, especializada en todo tipo de codificadores sobre todo para uso industrial.
Un ejemplo típico de este tipo de codificadores se puede ver dentro de los mouse (ratones) de computadora: pequeños discos con ranuras en cada eje de movimiento. Un circuito lleva la cuenta de los pulsos, con lo que se puede conocer tanto el ángulo que se ha avanzado como la velocidad de giro (midiendo el tiempo entre pulsos). Estos codificadores son baratos pero no ofrecen una posición absoluta (como el potenciómetro), ya que el disco es igual en toda su circunferencia y no hay manera de saber dónde está ubicado (en qué ángulo absoluto) el eje. Habitualmente, se debe proveer al sistema de una manera de ubicarse en una posición cero, y de ahí en adelante contar pulsos hacia adelante o hacia atrás.
Por razones de precisión óptica, la codificación se suele hacer en una codificación llamada código Gray, que luego se traduce en el código binario estándar que utiliza una computadora para sus cuentas.

3. Sensores auto resonantes

Sensores autorresonantes, de frecuencia variable o casi digitales: Son sensores basados en un fenómeno físico resonante, en general todos requieren de frecuencímetros o contadores.

3.1 Principio de funcionamiento de los sensores autorresonantes.

El principio de funcionamiento de los sensores autorresonantes se basa en un fenómeno físico resonante ofrecen una frecuencia de salida que depende de una magnitud de interés que afecta a la frecuencia de oscilación. Todos requieren un frecuencímetro-contador para medir bien la frecuencia o bien el periodo de oscilación- La elección de uno u otro método depende de la resolución deseada y del tiempo disponible para la medida. Las estructuras resonantes basadas en mono cristales de silicio se prestan bien a la realización de circuitos integrados.En sensores se emplean tanto osciladores armónicos como de relajación. En los primeros hay una energía almacenada que cambia de una u otra forma de almacenamiento, por ejemplo de energía cinética en el movimiento de una masa a energía potencial en la tensión de un muelle. En los segundos hay una única forma de almacenamiento, y la energía almacenada se disipa periódicamente mediante algún mecanismo de puesta a cero.

Figura 10. Representación Esquemática de Sensores Autorresonates.

Es importante observar que si bien la ausencia de convertidor A/D hace innecesaria una tensión de referencia estable para medir la salida de estos sensores, no por ello es posible medir una magnitud absoluta -la frecuencia del oscilador- sin tener otra magnitud de referencia bien conocida, en este caso el oscilador del que se obtiene la base de tiempos del contador con que se mida la frecuencia. Este oscilador de referencia será generalmente de cristal de cuarzo y tendrá derivas con el tiempo y la temperatura. Las derivas temporales se deben a cambios estructurales en el cuarzo debidos a imperfecciones en la estructura cristalina, a las tensiones mecánicas ejercidas por los soportes sobre el cuarzo, que decrecen con el tiempo, y que varían después de ciclos térmicos: y a los cambios de masa del cristal por absorción de contaminantes dentro del encapsulado.

3.2 Tipos de sensores autorresonantes

3.2.1 Sensores Basados en ondas superficiales
Los sensores SAW basan su principio de operación en velocidad de propagación de las ondas Rayleigh en piezoeléctrico debido a la presencia de una cantidad sobre la misma. Los dispositivos SAW son estructuras la modificación de la superficie de un de masa depositada interdigitadas que se realizan sobre substratos piezoeléctricos para que las ondas acústicas superficiales puedan ser generadas mediante una excitación eléctrica. Se pueden utilizar como substratos o medio de soporte el Si y éste no es un material piezoeléctrico, por lo que se requiere una capa adicional piezoeléctrica sobre el silicio para desarrollar los sensores SAW. Para ello pueden utilizarse diferentes materiales piezoeléctricos, tales como, CDs, AIN y en particular el ZnO. Por otra parte el AIN presenta las ventajas de que sus constantes piezoeléctricas tienen muy baja dependencia con la temperatura (como el cuarzo) y una velocidad de propagación de las ondas acústicas de hasta tres veces superior al cuarzo por lo que se incrementaría la sensibilidad de estos dispositivos.
Son sensores que operan en frecuencias altas, barren el rango entre 100 y 500 MHz y aunque pueden llegar, incluso, hasta pocos GHz tales frecuencias requieren un sofisticado diseño del circuito oscilador. Los transductores interdigitados (IDT) son los que se usan para excitar y detectar una onda acústica superficial sobre un substrato piezoeléctrico.

Figura 11. Sensores Basados en ondas superficiales (SAW).

3.2.2 Galgas Acústicas
Una galga acústica es un dispositivo capaz de resonar a frecuencia de la banda audible (de ahí su nombre), funciona con un hilo de reluctancia variable y se utiliza comúnmente para medir deformaciones, por lo que mide variables como son la fuerza, masa y la longitud. También utiliza el principio del módulo de Young para hacer estas mediciones.

3.2.3 Cilindros Vibrantes Es un cilindro metálico con paredes delgadas (75 um) y un extremo ciego, la frecuencia de oscilación dependerá de las dimensiones y material del cilindro, y de cualquier masa que vibre con sus paredes Utilizando, igual que antes, un excitador electromagnético para mantener la oscilación, se puede medir la diferencia de presión entre las dos caras del cilindro, porque la diferencia de presiones entre ambos lados de las paredes produce una tensión mecánica en éstas Se puede medir la densidad de un gas porque el gas cerca de las paredes vibra al hacerlo éstas. Para líquidos corrosivos es mejor emplear un cilindro de vidrio o cerámico y el excitador piezoeléctrico, ya que los electromagnéticos no sirven. La aplicación más extendida de este método es, sin embargo, la medida continua de la densidad de líquidos, con una disposición como la indicada en la figura x Consiste en dos conductores en paralelo, como por los que fluye el liquido, sujetos por cada extremo a una base fija y acoplados al conducto principal, con una junta flexible en cada extremo.

Figura 12. Cilindros Vibrantes.

Como el volumen es conocido y la frecuencia de oscilación de los dos conductos, que se comportan como un diapasón, depende de la masa, en consecuencia de la densidad. La relación es de la forma :

Siendo fo la frecuencia de oscilación de la tubería sin líquido YPc una constante que depende de la geometría del sistema. La frecuencia de salida se puede medir, por ejemplo, con un PLL cuyo VCO excita el tubo vibratorio. El filtro de paso bajo que hay entre el comparador de fase y el oscilador, filtra entonces el ruido de alta frecuencia captado por los hilos de conexión.

3.2.4 Sensores Resonadores de Cuarzo Estos sensores están basados en una frecuencia de oscilación alta, se basan en la variación que sufre ésta ante una deformación del cristal, para un elemento con electrodos metálicos depositados en dos de sus caras, en la figura 13 se muestra el circuito eléctrico equivalente de un sensor de cuarzo resonante. En ésta, Lm viene determinada por la masa del cristal, Cm por la elasticidad mecánica, Rm por la fricción interna (que se traduce en una disipación de calor) y Co es la capacidad del soporte del cristal en paralelo con la de los electrodos metálicos, con el material piezoeléctrico como dieléctrico. La presencia de un circuito resonante permite emplear dicho elemento como base de un oscilador.

Figura 13. Circuito equivalente de material piezoeléctrico

Dado que el cuarzo es inerte, si se emplea un mono cristal de gran pureza la estabilidad de la resonancia mecánica a largo plazo es muy alta. La estabilidad a corto plazo depende del factor de calidad Q (alta rigidez, poca histéresis) y la inductancia equivalente, que son muy elevados. Una estabilidad a corto piazo elevada permite diseñar sensores de alta resolución, mientras que una gran estabilidad a largo plazo significa que se necesitarán menos re calibraciones.
Existen diversos tipos de sensores resonantes clasificándose según la variable física a medir.
*Termómetros Digitales de Cuarzo
*Micro balanzas de cuarzo
*Sensores de gas resonante
*Sensores de fuerza y presión basados en resonadores de cuarzo.

3.3 Micro balanzas de cuarzo

Las microbalanzas de cristal de cuarzo QCM (siglas de Quartz Cristal Microbalance). Es básicamente un sensor muy sensible, que mide pequeños cambios de masa en una sustancia. Su fundamento es un cristal piezoeléctrico que oscila a su frecuencia de resonancia, y, debido a los cambios en dicha frecuencia de resonancia cuando se deposita una pequeña cantidad de sustancia, se obtiene la cantidad de masa depositada. La correlación entre la masa y la frecuencia se obtiene por medio de la ecuación de Sauerbrey.

3.3.1 Principio de funcionamiento de sensores de cuarzo
En 1880 Jacques y Pierre Curie descubrieron que al aplicar una tensión mecánica sobre la superficie de diferentes cristales, entre ellos el cuarzo, se origina un potencial eléctrico a través del cristal, cuya magnitud es proporcional a la tensión aplicada. Este comportamiento se conoce como el efecto piezoeléctrico, aquellos que cristalizan en grupos espaciales que no tienen un centro de simetría. Un cristal de un material acéntrico posee un eje polar debido a los dipolos asociados a la disposición de los átomos en la red cristalina. La tensión aplicada provoca un desplazamiento de los átomos del cristal y por tanto de los dipolos, generándose una carga eléctrica. El efecto es reversible, es decir, al aplicar una diferencia de potencial a un cristal piezoeléctrico se producen en él tensiones mecánicas que dan lugar al desplazamiento de partículas y a la aparición de ondas acústicas. Este efecto es el principio teórico del funcionamiento de la microbalanza electroquímica de cristal de cuarzo (QCM).

Figura14. Microbalanza de Cuarzo QCM.

Un sensor tipo QCM consiste en un disco delgado de cuarzo entre dos electrodos. Dadas las propiedades piezoeléctricas y orientación cristalográfica del cuarzo, mediante la aplicación de un voltaje entre los electrodos se produce una deformación del cristal. El cristal puede ser excitado hasta la resonancia cuando la frecuencia sea tal que el grosor del cristal es un número entero N de veces media longitud de onda. La frecuencia de resonancia del cristal depende de la masa total resonante, cuando se deposita una capa delgada y rígida. La variación de la frecuencia es proporcional a la cantidad de masa añadida y el sensor tipo QCM opera como una balanza sensible. Si la frecuencia de oscilación era fo, el área del cristal A, su densidad p. y la masa depositada Am. El desplazamiento de frecuencia viene dado en primera aproximación por la ecuación de Sauerbrey,
Normalmente, los QCM tienen incorporados un circuito oscilador donde la frecuencia de oscilación va disminuyendo conforme se va acumulando masa sobre la superficie del diseño. Estas microbalanzas tienen la capacidad de dar soluciones a un cierto número de medidas como monitorización del depósito del material sensible, detección de especies, degradación de mezclas complejas, detección cromatográfica de líquidos, y análisis electroquímicos. También ha sido demostrado como los QCM pueden operar en contacto con líquidos.

Kanazawa y Gordon han mostrado que los QCM pueden ser sensibles a la viscosidad y densidad de la solución en contacto. Sin embargo, la medida de la frecuencia de resonancia en si misma no puede distinguir cambios másicos de los cambios en las propiedades de la disolución. Cuando la admitancia se mide en un rango de frecuencias cercanas a la frecuencia de resonancia, los QCMs bien caracterizados pueden diferenciar entre estos mecanismos de carga.

3.3.2 Circuito Equivalente

El sistema formado por el cristal junto con los dos electrodos y el oscilador puede simularse por el circuito equivalente de la figura.

Figura 15. Circuito Equivalente de una Sensor QMC.

La curva de impedancia obtenida se ajusta al circuito y los parámetros que se obtienen se usan para calcular valores tales como la frecuencia de resonancia, el factor de calidad Q y la disipación D.

3.3.3 Construcción de microbalanzas de cuarzo
Los sensores QCM (Microbalanza de Cuarzos) son construidos con una fina lámina de cristal de cuarzo situado entre dos electrodos, donde la frecuencia de oscilación del sensor viene dada por el grueso de la lámina de cuarzo y el corte del cristal original para obtener la lamina.












Figura 16. Sensores QCM.

El corte utilizados en la microbalanza de cuarzo son paralelos a los planos XZ o YZ, que se conocen, respectivamente, como cortes X o Y. El corte "AT" (35º de inclinación con respecto al plano XZ (Figura 17) es el más utilizado y se fabrica hasta frecuencias relativamente altas, mostrando una excelente estabilidad de frecuencia frente a las variaciones de la temperatura. Una lámina de este tipo, en su modo fundamental de oscilación, se contrae y expande a lo largo de un eje normal a las caras principales por efecto de un campo eléctrico perpendicular a dicho eje, el plano principal permanece en reposo y las dos caras tienen la máxima amplitud de movimiento.







Figura 17. Corte de Cristal de Cuarzo.

En la siguiente figura (18) se muestra un esquema de la construcción interna de un cristal de cuarzo, aunque su grueso se ha exagerado. Para un cristal cuya frecuencia sea de por ejemplo, 15 MHz el grueso de la lámina de cuarzo estará alrededor 0,15 milímetros.


Figura 18. Esquema de construcción interna Cristal de Cuarzo.

El cristal de cuarzo es un material frágil y por tanto es preciso protegerlo con una capsula que suele ir rellena de un gas inerte, por ejemplo, nitrógeno.
El circuito eléctrico es el responsable de generar un campo eléctrico oscilante entre las dos placas, lo cual provoca el comportamiento piezoeléctrico de la lámina de cuarzo; cuya frecuencia de resonancia varía según el tipo de corte y el espesor de la lámina, en la siguiente figura se muestra la lámina de cuarzo incluido el circuito eléctrico.

Figura 19. Lamina de Cuarzo con circuito eléctrico.

3.3.4 Sistema de acondicionamiento
Los sensores QCM (Microbalanza de Cuarzo) poseen una alta impedancia, una forma de medir la señal proveniente de este sensor es empleando un amplificador de carga y la otra es mediante el uso de un amplificador electrométrico. Además estos sensores necesitan un circuito oscilador un circuito básico de los osciladores son los serie y los paralelos.
Un circuito básico oscilador resonante serie, utiliza un cristal que está diseñado para oscilar en su frecuencia resonante serie natural. En éste circuito no hay capacitores en la realimentación Los circuitos resonantes serie son usados por la baja cantidad de componentes que se utilizan, pero estos circuitos pueden tener componentes parásitos que intervienen en la realimentación. y en el caso que el cristal deje de funcionar oscilarán a una frecuencia impredecible.
Un circuito oscilador paralelo utiliza un cristal que está diseñado para operar con un valor específico de capacidad de carga. Esto resultará en un cristal que tendrá una frecuencia mayor que la frecuencia resonante serie, pero menor que la verdadera frecuencia resonante paralelo. Un circuito básico se muestra a continuación.


Figura 20. Circuitos básicos

Otro circuito acondicionador más complejo utilizando parta e oscilador transistor Schottky como se muestra en la siguiente figura:

Figura 21. Circuito acondicionador más complejo

3.3.5 Aplicación de microbalanza de cuarzo
Las microbalanzas de cristal de cuarzo QCM es un sensor muy sensible a los cambios de masa. Además monitoriza, en tiempo real, los cambios de masa con una gran sensibilidad. Ello permite que las aplicaciones a las que se puede dedicar abarcan un espectro muy amplio de campos. Desde Biotecnología (detección de virus, membranas biológicas, interacción de ADN y ARN, absorción de proteínas, reacciones inmunológicas), formación de monocapas (Langmuir-Blodgett, bicapas), investigación con surfactantes (efectividad e interacciones) y muchos otros.

3.3.5.1-Biomateriales
Cabe destacar:
-Absorción de proteínas
-Reacciones inmunológica
-Adhesión de células
-Biocompatibilidad de superficies

3.3.5.2- Superficies funcionales
Por ejemplo:
-Creación de superficies selectivas.
-Membranas de Lípidos.
-Superficies poliméricas.
-Superficies reactivas.

3.3.5.3- Formación de capas delgadas
-Películas L y LB.
-Monocapas self-assembled.
-Absorción polielectrolítica.
-Superficies reactivas.
-Recubrimientos.
-Formación de bicapas.
-Monocapas absorbidas.

3.3.5.4- Surfactantes
Cabe destacar:
-Efectividad de surfactantes.
-Interacción surfactante-superficie.

3.4 Caudalimetro de Vórtice

El principio del caudalimetro de vértice esta basado en la medición de la frecuencia de generación de vórtices por un obstáculo insertado en el flujo, cuya frecuencia es proporcional a la velocidad media, en un campo dado de número de Reynolds.Aunque existan muchos dispositivos de este tipo, experiencia con este método de medida de caudal es limitada y este método solamente se puede utilizar con precaución.
Por ejemplo, cualquier vibración de la conducción es capaz de alterar la frecuencia medida y por lo tanto debe ser evitada.

3.5.- Otras Investigaciones Químicas

Cabe destacar:
-Disoluciones de polímeros
-Interacciones moleculares con drogas

4. Problema practico industrial

4.1 Análisis de Compuesto del Agua
Una matriz de las microbalanzas cristalinas del cuarzo (QCMs) se ha desarrollado para medir y para identificar cantidades de rastro de compuestos orgánicos volátiles (VOCs) en agua. En un sistema de experimentos, un total de nueve QCMs polímero-revestido fue probado con concentraciones que variaban de doce VOCs mientras que la frecuencia y el voltaje el humedecer fueron medidos. QCMs es rugoso, de baja potencia, miniaturizado fácilmente, y capaz del producto químico directo que detecta en líquidos.
Por otra parte, QCMs se puede adaptar para muchas diversas aplicaciones desarrollando las capas que responden a diversas moléculas de la blanco, agregando a su flexibilidad.

4.2 Usos

La capacidad de proporcionar la supervisión en tiempo real de contaminantes químicos en muestras de agua se puede utilizar para una variedad de usos: en línea la supervisión de contaminantes en proceso, recicla, y el agua inútil supervisión de la calidad de la agua subterránea detección de contaminantes en corrientes, los lagos y los abastecimientos de agua supervisión de descargar en canales costa afuera.
Los compuestos estudiaron con la matriz QCM para evaluar la utilidad de los sensores de QCM para detectar una gama de los contaminantes de VOC, los compuestos siguientes fueron probados:
-VOCs polar - acetona, isopropanol, glicol de etileno, y acetato ethyl.
-VOCs no polar - p-xileno, tolueno, cyclohexane, y n-pentane.
-Hidrocarburos tratados con cloro - carbontetrachloride, cloroformo, tricloroetileno (TCE) y tetrachloroethylene (PCE).

5. Otros métodos de detección.

5.1. Basado en uniones semiconductoras. Construcción y circuitos de acondicionamiento









5.2. Basados en ultrasonidos. Construcción y circuito de acondicionamiento





El ultrasonido se define como ondas de sonido de alta frecuencia que están por encima del rango de percepción humana. El punto más bajo es generalmente 20kHz y el superior ya está en el rango del megahertz. Los seres humanos son capaces de detectar sonidos en el rango de 20Hz a 20kHz. Los instrumentos portátiles que miden la intensidad del ultrasonido transportado en el aire o por medio de una estructura cubren frecuencias desde 20 kHz hasta 100 kHz.
El método generalizado para detectar fugas es sencillo. Un inspector con un instrumento de ultrasonido escanea un área y busca un sonido diferente que se acelera. Con ajustes continuos del control de volumen se sigue el sonido de la fuga hasta que se escucha el punto más alto. En el rango ultrasónico, el inspector es capaz de discriminar entre ruidos de fondo irrelevantes y la señal de la fuga. Algunos instrumentos incluyen una sonda focalizadora de hule que estrecha el área de recepción. Estas sondas protegen contra ultrasonidos competitivos y ayudan a localizar la ubicación de fugas pequeñas. La gran ventaja de la detección por ultrasonido es que puede usarse en diferentes ambientes, pues es sensible al sonido y no específica para cada gas. Cuando ocurre una fuga, el fluido (líquido o gas) se mueve desde el lado de alta presión a través del agujero al lado de baja presión de la fuga, donde se expande rápidamente y produce un flujo turbulento.
Esta turbulencia tiene fuertes componentes ultrasónicos que son detectados por el instrumento. La intensidad de la señal de ultrasonido cae rápidamente desde la fuente, lo cual permite localizar exactamente el sitio de la fuga.
Para sistemas fuera de servicio, una prueba especializada, denominada una prueba de tono, emplea un transmisor ultrasónico para producir una fuente de sonidos ultrasónicos. La prueba se lleva a cabo colocando un transmisor adentro, o en un lado de la pieza del equipo a inspeccionar. Una señal vibratoria viaja por toda la pieza y penetra cualquier sitio de fuga existente. Un escaneado para penetración sónica usa un instrumento de ultrasonido y localiza la fuga. Esta prueba es especialmente apta para intercambiadores de calor.





5.3 Basado en fibras ópticas. Construcción y circuito de acondicionamiento.





Los sensores de Fibra Óptica están formados por un amplificador que contiene el del emisor y el receptor, y un cable de fibra óptica que transmite y recibe la luz reflejada por el objeto a detectar.
Las características y presentaciones dependen mucho del fabricante. Así como en las Fotocélulas, la evolución tecnológica no se ha hecho muy patente, en los sensores de Fibra Óptica se ha notado una evolución en los últimos años muy importante.
Un filamento de vidrio sumamente delgado y flexible (de 2 a 125 micrones) capaz de conducir rayo ópticos (señales en base a la transmisión de luz). Las fibras ópticas poseen capacidades de transmisión enormes, del orden de miles de millones de bits por segundo. Se utilizan varias clases de vidrios y plásticos para su construcción.
Una fibra es un conductor óptico de forma cilíndrica que consta del núcleo (core), un recubrimiento (clading) que tienen propiedades ópticas diferentes de las del núcleo y la cubierta exterior (jacket) que absorbe los rayos ópticos y sirve para proteger al conductor del medio ambiente así como darle resistencia mecánica. Además, y a diferencia de los pulsos electrónicos, los impulsos luminosos no son afectados por interferencias causadas por la radiación aleatoria del ambiente.
Cuando las compañías telefónicas reemplacen finalmente los cables de cobre de sus estaciones centrales e instalaciones domiciliarias con fibras ópticas, estarán disponibles de modo interactivo una amplia variedad de servicios de información para el consumidor, incluyendo la T.V. de alta definición.Cada una de las fibras ópticas, puede transportar miles de conversaciones simultáneas de voz digitalizada.
Los sensores de Fibra Óptica están formados por un amplificador que contiene el del emisor y el receptor, y un cable de fibra óptica que transmite y recibe la luz reflejada por el objeto a detectar.
Las características y presentaciones dependen mucho del fabricante. Así como en las Fotocélulas, la evolución tecnológica no se ha hecho muy patente, en los sensores de Fibra Óptica se ha notado una evolución en los últimos años muy importante.





5.3.1 Ventajas De La Fibra Óptica
Capacidad de transmisión: La idea de que la velocidad de transmisión depende principalmente del medio utilizado, se conservo hasta el advenimiento de las fibras ópticas, ya que ellas pueden transmitir a velocidades mucho más altas de lo que los emisores y transmisores actuales lo permiten, por lo tanto, son estos dos elementos los que limitan la velocidad de transmisión.
Mayor capacidad debido al ancho de banda mayor disponible en frecuencias ópticas.
Inmunidad a transmisiones cruzadas entre cables, causadas por inducción magnética.
Inmunidad a interferencia estática debida a las fuentes de ruido.
Resistencia a extremos ambientales. Son menos afectadas por líquidos corrosivos, gases y variaciones de temperatura.
La seguridad en cuanto a instalación y mantenimiento. Las fibras de vidrio y los plásticos no son conductores de electricidad, se pueden usar cerca de líquidos y gases volátiles.





5.3.2 Parámetros De Una Fibra Óptica
Existen varios parámetros que caracterizan a una fibra óptica. Se habla de parámetros estructurales y de transmisión establecen las condiciones en las que se pueden realizar la transmisión de información.Entre los parámetros estructurales se encuentra:
*El perfil de índice de refracción.
*El diámetro del núcleo.
*La apertura numérica.
*Longitud de onda de corte.
En cuanto a los parámetros de transmisión se tiene:
*Atenuación.
*Ancho de banda.





Figura 22. fibroscopio






Bibliografía:
http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/sedes/manizales/4040003/lecciones/cap5lecc10.htm
http://es.wikipedia.org/wiki/Codificador_rotatorio
http://sensorautorresonantes.blogspot.com/
http://medicionesindustriales2007i.blogspot.com/2007_07_01_archive.html
http://www.investigacion.frc.utn.edu.ar/sensores/Tutorial/TECNO5.pdf
http://www.investigacion.frc.utn.edu.ar/sensores/Tutorial/INDICE.pdf
http://www.dei.uc.edu.py/tai2002/SENSORES/clasif.htm
http://www.etsetb.upc.es/documents/guia_docent/assignatures/cast/MasterEE/11617.pdf

Tarea #3 Sensores Generadores

MEDICIONES INDUSTRIALES

TEMA V: SENSORES GENERADORES

5. Definición de sensores generadores
5.1. Sensores termoeléctricos: termopares
5.1.1. Efecto termoeléctrico
5.1.1.1 Efecto Peltier (Jean C. Peltier -1834)
5.1.1.2 Efecto Thompson (Lord Kelvin -1854)
5.2. Tipos de Termopares
5.3. Normas de aplicación practica por los Termopares
5.3.1. Ley de los circuitos homogéneos
5.3.2 Ley de los Metales Intermedios
5.3.3. Ley de las temperaturas sucesivas o intermedias
5.4 Efecto de la temperatura ambiente en la unión de referencia de los termopares.
5.4.1 Desviación térmica
5.4.2 Compensación de la unión de referencia en circuitos de termopares
5.5 SENSORES PIEZOELÉCTRICOS
5.5.1 Efecto piezoeléctrico.
5.5.2 Materiales
5.5.2.1 Aplicaciones
5.5.2.1.1 Detección de magnitudes mecánicas
5.5.3 SENSORES PIROELECTRICOS
5.5.3.1 Efecto Piro eléctrico
5.5.3.2 Materiales piroelectricos
5.5.3.3 Aplicaciones
5.5.4 SENSORES FOELECTRICOS
5.5.4.1 Espectro electromagnético
5.5.4.2 Fuentes de luz
5.5.4.2.1 Fuentes de luz habituales
5.5.4.3 Modulación de la fuente de la luz
5.5.4.4 Exceso de ganancia
5.5.5 Sensor de tipo Barreras emisor-receptor
5.5.5.1 Distancia de censado
5.5.5.2 Alineación
5.5.5.3 Interferencia mutua
5.5.5.4 Montaje de la barrera
5.5.6 Barreras reflectivas
5.5.6.1 Principio de funcionamiento
5.5.6.2 Distancia de censado


MEDICIONES INDUSTRIALES

TEMA V: SENSORES GENERADORES

5. Definición de 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.

5.1. SENSORES TERMOELECTRICOS: TERMOPARES

5.1.1. EFECTO TERMOELECTRICO

Tipos:
a) Reversibles: Efecto Peltier.
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 termo electromotriz (f.t.e.m.) denominada también EAB y la diferencia de temperatura entre las uniones (T), define el coeficiente de Seebeck (SAB).

S AB = (dE AB /dT) = SA – SB

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.

5.1.1.1 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 πAB 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:

π AB = T (S B - S A) = - π BA

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.

5.1.1.2 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. .Alat fiabilidad.
• Mayor exactitud que un RTD.
• Pequeño y mediano tamaño.
• .Velocidad de respuesta rápida (ms).
• Robustos.
• Simples.
• Flexibilidad de Utilización.
• Bajo costo.

5.2. 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) -Crome-;
• Cobre (57)1Niquel (43);
• Níquel (94)1 Aluminio (2)-Manganeso (3)-Silicio (I) -Alumel-

La protección frente al ambiente se logra mediante un encapsulado denominado Vaina que normalmente 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 más comunes y su designación de acuerdo con las normas ANSI.

Las características completas en cuanto a tensión de salida se encuentran tabuladas de forma que se dan las tensiones correspondientes a distintas temperaturas y cuando la unión de referencia esta a 0,00°C. Esto no significa que la unión a 0,00°C de siempre una tensión de 0v para cualquier termopar. En el siguiente cuadro se muestra un fragmento de una tabla donde las tensiones o temperaturas intermedias se obtienen mediante interpolación lineal.

En un sistema automático se pueden emplear polinomios que aproximan las tablas con una exactitud dependiendo de su orden. Corresponden a expresiones del tipo:


T = ao + al X + a2 x2 +.....................

Donde X es la tensión obtenida.
Según la aplicación, se dispone de distintos tipos de uniones como las especificadas en la figura siguiente:
• Uniones Desnudas (medidas estáticas, gases no corrosivos, donde se requiere un tiempo de respuesta rápido).
• Uniones Aisladas (medir en ambientes corrosivos donde interesen aislamientos eléctricos del termopar, este entonces queda encerrado por el encapsulado (Vaina) y aislado de esta por un buen conductor térmico como aceite o mercurio).
• Uniones con Aislantes Minerales (respuesta rápida y no hace falta un encapsulado grueso se emplean aislantes minerales como polvo de manganeso y oxido de aluminio.


Según el grado de compactación del aislante, la respuesta final puede ser lenta y la temperatura máxima soportada es también distinta. Mediante uniones puestas a masa se pueden medir temperaturas estáticas o de flujo de gases o líquidos corrosivos y como la unión esta soldada a ala vaina protectora la repuesta térmica es más rápida, pero si la masa es ruidosa no sirve y hay que aislar térmicamente el termopar. Los termopares aislados se aplican en medidas de alta presión.

5.3. Normas de aplicación practica por los Termopares

La medición de temperaturas mediante termopares, además de las ventajas e inconvenientes expuestos esta sujeta a una serie de leyes verificadas experimentalmente, que simplifican en gran manera el análisis de circuitos con termopares.

5.3.1. Ley de los circuitos homogéneos

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

En la Figura anterior las temperaturas T3 y T 4 no cambian la energía termo electromotriz (ftem) debida a T1 y T2 en particular, si T1 es igual a T2 y se calientan A ó B no fluye corriente alguna.

Es decir en otras palabras las temperaturas intermedias a las que puede estar sometido cada conductor no altera la ftem. Tampoco ocurre esto debido a una determinada diferencia de temperaturas entre las uniones Sin embargo, 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. Para esto se emplean los denominados cables de compensación, los cuales son de metales que, siendo más económicos que los de termopares utilizados frecuentemente en la industria no presentan ftem. significativas

5.3.2 Ley de los Metales Intermedios

La suma algebraica de las ftem en un circuito compuesto de un número cualesquiera de metales distintos es cero. Si todo el circuito está a una temperatura uniforme.
Esto significa que se puede intercalar un instrumento de medida, sin añadir errores, siempre y cuando las nuevas uniones estén a la misma temperatura. El instrumento se puede intercalar en un conductor o en un a unión. Un colorario de estas leyes que si se conoce la relación térmica de dos metales distintos con un tercero. Se puede encontrar la relación entre los dos primeros. Por lo tanto no hace falta calibrar todos los posibles pares de metales para conocer la temperatura correspondiente a 1a ftem. detectada con un par determinado. Basta con conocer su comportamiento con un tercero. Se ha convenido en tomar el Platino como referencia.


5.3.3. Ley de las temperaturas sucesivas o intermedias.

Si dos metales homogéneos producen un ftem. E1 cuando las uniones están a T1 y T2 y una ftem.
E2, cuando las uniones están a T2 y T3, la ftem. cuando las uniones estén a T1 y T3 será (E1 + E2).
Esto significa, por ejemplo, que la unión de referencia no tiene porque estar a ooc si no que puede usarse otra temperatura de referencia.


En el caso (a) se trata de la conexión serie de varios termopares, constituyendo lo que se denomina una termopila. Es fácil comprobar que aumenta la sensibilidad respecto al caso de un soto termopar. En el caso (b) la conexión es en paralelo, y se detecta la temperatura media si todos los termopares son lineales en el margen de medida y tiene la misma resistencia.

5.4 Efecto de la temperatura ambiente en la unión de referencia de los termopares.

5.4.1 Desviación térmica

Al calentar la masa de los termopares se extrae energía que afectará a la temperatura que se trata determinar. Considérese por ejemplo, medir la temperatura de un líquido en un tubo de ensayo: existen dos problemas potenciales. El primero es que la energía del calor viajará hasta el cable del termopar y se disipará hacia la atmósfera reduciendo así la temperatura del líquido alrededor de los cables. Un problema similar puede ocurrir si un termopar no está suficientemente inmerso en el líquido, debido a un ambiente de temperatura de aire más frío en los cables, la conducción térmica puede causar que la unión del termopar esté a una temperatura diferente del líquido mismo. En este ejemplo, un termopar con cables más delgados puede ser útil, ya que causará un gradiente de temperatura más pronunciado a lo largo del cable del termopar en la unión entre el líquido y el aire del ambiente. Si se emplean termopares con cables delgados, se debe prestar atención a la resistencia de la guía. El uso de un termopar con delgados cables conectado a un termopar de extensión mucho más gruesa a menudo ofrece el mejor resultado.


5.4.2 Compensación de la unión de referencia en circuitos de termopares

Para aplicar et efecto Seebeck a la medida de temperatura es necesario mantener una de las uniones a una temperatura de referencia. Una solución consiste en disponer la unión de referencia en hielo fundente. Tal como se indica en la figura siguiente:

Es una solución de gran exactitud y facilidad de montaje pero es de difícil mantenimiento y coste alto. Se puede mantener también la unión de referencia a una temperatura constante a base de emplear un elemento de refrigeración basado en el efecto Peltier inverso o un horno termostatado, pero en cualquier caso debe usarse mucho hilo de uno de los dos metales del termopar y esto encarece la solución.
La solución indicada en las figuras siguiente permite emplear un hilo de conexión más económico (cobre). Si bien sigue siendo una solución cara por la necesidad de mantener una temperatura de referencia constante. Si el margen de variación de la temperatura ambiente es menor que la resolución deseada puede dejarse la unión de referencia simplemente al aire. En caso contrario se emplea la denominada compensación electrónica de la unión de referencia.
La Compensación electrónica consiste en dejar que la unión de referencia sufra las variaciones de la temperatura ambiente, pero esta se detecta con otro transductor de temperatura. Dispuesto en la vecindad de la unión de' referencia, y se resta una tensión igual a la generada en la unión fría.
La tensión de alimentación del puente debe de ser estable, y puede ser la de una pila de mercurio.

5.5 SENSORES PIEZOELÉCTRICOS

5.5.1 Efecto piezoeléctrico.

* 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.
* Todos los materiales ferro eléctricos son piezoeléctricos. La propiedad piezoeléctrica está relacionada con la estructura cristalina.

5.5.2 Materiales

* Naturales más comunes: El cuarzo y la turmalina.
* Sintéticos: ceraminas.

5.5.2.1 Aplicaciones.

5.5.2.1.1 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 costo.
* Alta rigidez mecánica (deformaciones experimentadas <>

* La figura 6.18 muestra algunos montajes de aplicación del efecto piezoeléctrico a baja frecuencia.

5.5.3 SENSORES PIROELECTRICOS

5.5.3.1 Efecto Piro eléctrico

El efecto piro eléctrico 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 en una dirección determinada cuando el material experimenta un cambio de temperatura. Estas cargas son debidas al cambio de su polarización espontanea al variar la temperatura. Recibió ese nombre de D. Brewster en 1824, pero es conocido desde hace más de 2000 años.

Si el cambio de temperatura ΔT, es uniforme en todo el material, el efecto piro eléctrico se describe mediante el coeficiente piro eléctrico p, que es un vector de la forma:

ΔQ= A ΔP= PaΔt

Donde P es la polarización espontanea. Este efecto se a plica 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 absorbe radiación cambia su temperatura y con ella su polarización, produciendo una carga superficial en las placas del condensador. Si el área donde incide la radiación es A y el grosor del detector b, es suficientemente pequeño para poder suponer que los gradientes de temperatura en el son despreciables, la carga inducida será:

ΔQ = A ΔP = pAΔT

Donde ΔT es el incremento de temperatura experimentado por el detector. La tensión obtenida será:

V0= ΔQ/C = ΔQ (b/εA)= (pb/ε) ΔT

Cuando la radiación incidente es pulsante y tiene una potencia Pi, la tensión obtenida en el condensador es:

V0 =Rv*Pi

Donde Rv es la denominada responsividad o sensibilidad en tensión y viene dada por:

Rv= (α*p*τ/CE*εa(1+ω2*τ2)1/2) (V/W)

Donde:

α= es la fracción de la potencia incidente que se convierte en calor

p= es el coeficiente piroelectrico del material

τ= es la contante de tiempo térmica

CE= es el calor especifico volumétrico

ε= es la constante dieléctrica

ω= es la pulsación de la radiación incidente

La dependencia frecuencial de R, es, pues, de tipo bajo. Para sensores comerciales decrece a partir de las frecuencias del orden de 0.1Hz. La corriente de cortocircuito equivalente es

Ic=RiPi

Donde Ri es la responsividad en corriente, que viene dada por

Rv= ((α*p *ω *τ)/ (CE*b (1+ω2*τ2)1/2)(A/W)

Ri es plana para radiaciones de frecuencial mayor que la determinada por la contante térmica del material. Como todos los detectores de radiación, los piroelectricos son también sensibles al ruido térmico. La potencia equivalente de entrada para la que la respuesta, es un ancho de banda de 1 Hz, es igual a la debida a las flutuaciones térmicas del detector, se denomina potencia equivalente de ruido. Para un detector ideal de área A*cm2, a temperatura ambiente es del orden de 5.5*10-11 √AW/√Hz.

5.5.3.2 Materiales piroelectricos

Dado que la piroelectricidad, al igual que la piezoelecrticidad, se basa en la anisotropía de los cristales, muchos materiales piezoeléctricos son también piro eléctricos. De las 21 clases cristalográficas no centrosimetricas, 10 tienen eje polar de simetría. Todas estas son ripoelectricas.

Hay dos grupos de materiales piros eléctricos: los lineales y los ferros eléctricos. 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 sulfatos de cadmio y selenio. Entre los ferreoelectricos están el tantalado 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

5.5.3.3 Aplicaciones

Según lo expuesto, la aplicación mas inmediata del efecto piro eléctrico 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 perdidas de calor en edificios), radiómetros(medida de la potencia generada por una fuente de radiación), analizadores de IR, detectores de CO2 y otros gases que absorben la radiación IR, detección de la radiación IR emitida por el cuerpo humano(para detección de intrusos y de presencia en sistemas en sistemas de encendido automático de la iluminación o calefacción en viviendas, apertura de puertas, reclamos publicitarios), detección de pulsos laser de alta potencia y en termómetros de alta resolución (6*106 oC).

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 parasitas, 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 piro eléctricos son todos piezoeléctricos, estos detectores llevan un encapsulado hermético (a veces incluso con vacio interno) que reduce los efectos de los movimientos de aire

5.5.4 SENSORES FOELECTRICOS

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 censado 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.

Conceptos teóricos

5.5.4.1 Espectro electromagnético

Atendiendo a su Longitud de onda la Radiación electromagnética recibe diferentes nombres. Desde los energéticos rayos gamma (con una longitud de onda del orden de pico metros) hasta las ondas de radio (longitudes de onda del orden de varios kilómetros) pasando por la Luz visible cuya Longitud de onda está en el rango de las décimas de micra. El rango completo de longitudes de onda forma el espectro electromagnético, del cual la luz visible no es más que un minúsculo intervalo que va desde la longitud de onda correspondiente al violeta (380 nm) hasta la longitud de onda del rojo (780 nm).

Los colores del espectro se ordenan como en el arco iris, formando el llamado espectro visible.

Si hablamos de luz en sentido estricto nos referimos a radiaciones electromagnéticas cuya longitud de onda es capaz de captar el ojo humano, pero técnicamente, el ultravioleta, las ondas de radio o las microondas también son luz, pues la única diferencia con la luz visible es que su longitud de onda queda fuera del rango que podemos detectar con nuestros ojos; simplemente son colores que nos resultan invisibles, pero podemos detectarlos mediante instrumentos específicos.

5.5.4.2 Fuentes de luz

Hoy en día la mayoría de los sensores fotoeléctricos utilizan LED como fuentes de luz. Un LED es un semiconductor, eléctricamente similar a un diodo, pero con la característica de que emite luz cuando una corriente circula por él en forma directa.

Los LEDs pueden ser construidos para que emitan en verde, azul, amarillo, rojo, infrarrojo, etc. Los colores más comúnmente usados en aplicaciones de censado son rojos e infrarrojos, pero en aplicaciones donde se necesite detectar contraste, la elección del color de emisión es fundamental, siendo el color más utilizado el verde.

Los fototransistores son los componentes más ampliamente usados como receptores de luz, debido a que ofrecen la mejor relación entre la sensibilidad a la luz y la velocidad de respuesta, comparado con los componentes foto resistivos, además responden bien ante luz visible e infrarroja.

Las fotocélulas son usadas cuando no es necesaria una gran sensibilidad, y se utiliza una fuente de luz visible. Por otra parte los fotodiodos donde se requiere una extrema velocidad de respuesta.

5.5.4.2.1 Fuentes de luz habituales

No visible, son relativamente inmunes a la luz ambiente artificial. Generalmente se utilizan para detección en distancias largas y ambientes con presencia de polvo.

Al ser visible es más sencilla la alineación. Puede ser afectado por luz ambiente intensa, y es de uso general en aplicaciones industriales.

Al ser visible es más sencilla la alineación. Puede ser afectado por luz ambiente intensa, generalmente se utiliza esta fuente de luz para detección de marcas.

5.5.4.3 Modulación de la fuente de la luz

Con la excepción de los infrarrojos, los LEDs producen menos luz que las fuentes incandescentes y fluorescentes que comúnmente iluminan el ambiente. La modulación de la fuente de luz provee el poder de censado necesario para detectar confiablemente con esos bajos niveles de luz. Muchos de los sensores fotoeléctricos utilizan LEDs emisores de luz modulada y receptores fototransistores.

Los LEDs, pueden estar encendidos y apagados (o modulados) con una frecuencia que normalmente ronda un kilohercio. Esta modulación del LEDs emisor hace que el amplificador del fototransistor receptor pueda ser conmutado a la frecuencia de la modulación, y que amplifique solamente la luz que se encuentre modulada como la que envía el emisor. La operación de los sensores que no poseen luz modulada está limitada a zonas donde el receptor no reciba luz ambiente y sólo reciba la luz del emisor.

Un receptor modulado ignora la presencia de luz ambiente y responde únicamente a la fuente de luz modulada.

Los LEDs infrarrojos son los más efectivos y son, además, los que tiene el espectro que mejor trabajan con los fototransistor es; es por tal motivo que son usados en muchas aplicaciones. Sin embargo, los sensores fotoeléctricos son también utilizados, para detectar contraste (detección de marcas) o color, y para esto se requiere que la luz sea visible.

5.5.4.4 Exceso de ganancia

La curva de exceso de ganancia se especifica en cada tipo de sensor fotoeléctrico, y la misma está en función de la distancia de censado. Esta curva es usada al momento de seleccionar el sensor, para predecir la confiabilidad de la detección en un ambiente conocido.

5.5.5 Sensor de tipo Barreras emisor-receptor

Las barreras tipo emisor-receptor están compuestas de dos partes, un componente que emite el haz de luz, y otro componente que lo recibe. Se establece un área de detección donde el objeto a detectar es reconocido cuando el mismo interrumpe el haz de luz.

Debido a que el modo de operación de esta clase de sensores se basa en la interrupción del haz de luz, la detección no se ve afectada por el color, la textura o el brillo, pero si en el caso de los objetos transparentes, estos son muy difíciles de detectar para este tipo de sensores del objeto a detectar. De todos modos el tamaño del objeto debe ser tomado en cuenta ya que algunos modelos de barreras emisor-receptor tienen ajuste de sensibilidad para permitir la detección o no de objetos de diferentes tamaños.

Los sensores de tipo barrera, es por mucho la primera y mejor opción que uno tendría que revisar por lo siguiente:

Larga distancia de detección.

Detección confiable en ambientes sucios, con polvo o con mucha humedad.

No son tan fácilmente engañados por objetos brillantes.

Detección de objetos pequeños con alta repetitividad.

Las contras pueden ser:

El precio ya que se compone de 2 partes.

Tiempo de montaje ya que tienen que montarse 2 partes y se tienen que alinear.

5.5.5.1 Distancia de censado

La distancia de censado mostrada en los catálogos para barreras emisor-receptor indica la máxima distancia entre el componente emisor y el receptor de manera tal que el sensor opere de forma estable. Dependiendo de la familia de sensores a utilizar, dicha distancia puede variar desde unos cuantos milímetros hasta 50 metros aproximadamente.

5.5.5.2 Alineación

Estos sensores operan de una manera precisa cuando el emisor y el receptor se encuentran alineados. Esto se debe a que la luz emitida siempre tiende a alejarse del centro de la trayectoria.

5.5.5.3 Interferencia mutua

Cuando se utilizan dos pares de barreras emisor-receptor una muy cerca de la otra, la expansión del haz de luz puede cubrir ambos receptores. Esto puede causar problemas de censado. En el diagrama puede verse el haz de luz exagerado para comprender con claridad, en la práctica, la expansión del haz de luz es mucho menor.

Si el objeto a detectar interrumpe el haz de luz entre el emisor 2 y el receptor 2, el haz de luz sigue siendo recibido desde el emisor 1. Efectivamente el objeto no es detectado.

Para solucionar este inconveniente no se debe re posicionar los sensores de manera tal que queden enfrentados los dos emisores. Esto permite que el haz de luz incida únicamente en el receptor correspondiente.

5.5.5.4 Montaje de la barrera

Las superficies brillantes que se encuentren cercanas al área de detección pueden reflejar el haz de luz provocando errores en la detección del objeto.

Si esto sucede, con solamente alejar el sensor de la superficie brillante el problema estará solucionado.

Si el producto a detectar es brillante, se puede sacar provecho de esta característica, re posicionando el sensor de manera diferente. En este caso la presencia de la tapa del envase es detectada haciendo reflejar el haz de luz en la misma.

5.5.6 Barreras reflectivas

5.5.6.1 Principio de funcionamiento

A diferencia de las barreras emisor-receptor, las barreras reflectivas o barreras reflex, tienen el componente emisor y el componente receptor en un solo cuerpo. El haz de luz se establece mediante la utilización de un reflector catadióptrico.

El objeto es detectado cuando el haz formado entre el componente emisor, el reflector y el componente receptor es interrumpido. Debido a esto, la detección no es afectada por el color del mismo.

La ventaja de las barreras réflex es que el cableado es en un solo lado, a diferencia de las barreras emisor-receptor que es en ambos lados.

5.5.6.2 Distancia de censado

La distancia total de censado mostrada en los catálogos está basada en la máxima distancia entre el sensor y el reflector de manera tal que el sensor detecte establemente el objeto.

La distancia efectiva de censado es levemente menor que la distancia total de censado, debido a la zona muerta que queda establecida justo enfrente del sensor. Esto se debe a la separación que existe entre el componente emisor y el componente receptor y el ángulo al cual la luz es reflejada desde el reflector.