Sensores Generadores

1. Definición de sensores generadores

Se consideran sensores generadores aquellos que generan una señal eléctrica a partir de la magnitud que midan, sin necesidad de una alimentación eléctrica.

Ofrecen una alternativa para medir muchas de las magnitudes ordinarias, sobre todo temperatura, fuerza y magnitudes afines. Pero, además, dado que se basa en efecto reversible, están relacionados con diversos tipos de accionadores o aplicaciones inversas en general. Es decir, pueden emplear para la generación de acciones no eléctricas a partir de señales eléctricas.

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 Peltier

Existe un campo el eléctrico en la juntura entre dos materiales distintos. Cuando una fuente externa induce un flujo electrónico en el sentido del campo eléctrico, los electrones deben transformar energía cinética en energía potencial. Un movimiento más lento de los electrones, puede visualizarse como en una disminución de la temperatura. Si por el contrario, los electrones se mueven en sentido contrario, su velocidad aumenta por efecto del campo eléctrico extra. Este aumento de la velocidad electrónica puede verse nuevamente como un aumento de la temperatura.

En la figura se muestra un esquema de un arreglo de junturas utilizado comercialmente como refrigerador.

Esquema de un refrigerador termoeléctrico. Este dispositivo hace uso del efecto Peltier para mantener refrigerado algún sistema.

Efecto Thompson

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 y cambia de signo con ella.

Efecto Seebeck

El efecto Seebeck puede explicarse en términos de la teoría de electrones libres en metales. Según esta aproximación, los electrones en un metal se mueven al azar, sin sufrir el efecto de fuerza neta alguna, al estar rodeados por otros iones en forma simétrica.

Cerca de la superficie del material, empero, la situación es diferente, debido a la rotura de la simetría. Si ahora se colocan dos materiales formando una juntura, la diferencia en densidades electrónicas a ambos lados de la interface se traduce en una fuerza neta sobre los electrones, que tienden a moverse del material con mayor densidad a aquel con menos. Este flujo de electrones induce la aparición de un campo eléctrico y consecuentemente de una diferencia de potencial en la juntura.

Consideremos ahora un circuito formado por dos de estas junturas puestas en serie, en lo que comúnmente se denomina una termocupla. Si la temperatura de las dos junturas que conforman la termocupla es la misma, los campos eléctricos formados en cada juntura tendrán igual módulo, pero signos distintos, por lo que la diferencia de potencial a lo largo de todo el circuito será nula.

Si por otro lado, una de las junturas está a mayor temperatura, los electrones de la juntura más caliente vibrarán más y el campo eléctrico generado en esta juntura será distinto (mayor) al generado en la juntura a menor temperatura.

De esta manera, la diferencia de temperaturas entre las junturas se evidencia como una diferencia de potencial en el circuito.

Tipos de termopares.

Consideraciones en las uniones de un termopar:

Resistencia elevada para no requerir mucha masa, lo que implica alta capacidad calorífica y respuesta lenta.

• Coeficiente de temperatura débil en la resistividad.
• Resistencia a la oxidación a altas temperaturas.
• Linealidad de la respuesta.

Estas propiedades se obtienen mediante las aleaciones que muestra la tabla siguiente :

Otros tipos de termopares.

En la actualidad se han hecho investigaciones en termopares fabricados con ambos brazos sin aleación, con el fin de eliminar los efectos de inestabilidad y gradientes de temperatura debidos cambios no uniformes en la composición de la aleación, causadas por la exposición a altas temperaturas. Algunos de estos termopares son : el termopar de “platino- oro” que tienen magnificas características termoeléctricas, gran estabilidad, exactitud y alta reproducibilidad. Así como el termopar de “platino – paladio” con gran estabilidad.

Los termopares de “tungsteno – renio” y aleaciones con otros materiales como : molibdeno, iridio y rodio, han mostrado un buen desempeño a temperaturas tan altas como 2750ºC y pueden ser utilizados como termopares: A, B, C, D, G y W.


Construcción de los termopares.

Un termopar esta constituido por dos metales diferentes, unidos físicamente en sus extremos. En la unión se crea una diferencia de potencial que depende de la temperatura (efecto termoeléctrico), que comparada con la que se genera en otra unión similar sometida a condiciones térmicas de referencia, da una medida de la temperatura existente en la primera unión.

Conexión básica de un termopar

Desde el punto de vista constructivo, la unión puede hacerse por contacto (arrollamiento), o soldadura.

Para conseguir la inmunidad requerida frente al medio en función de los materiales y del ambiente de trabajo, el termopar puede aparecer al aire o incluido dentro de una vaina protectora (lo que resulta determinante en la velocidad de respuesta). En este último caso, la unión puede conectarse a la vaina (puesta a tierra) o quedar eléctricamente aislada.

Los requerimientos más importantes que deben cumplir los materiales de termocuplas son:

• · Ser mecánicamente robustos y resistentes químicamente.
• · Deben producir una salida eléctrica mensurable y estable.
• · Deben tener la precisión requerida.
• · Deben responder con la velocidad necesaria
• · Debe considerarse la transferencia de calor al medio y viceversa para no afectar la lectura.
• · Deben, en algunos casos, estar aislados eléctricamente de masa
• · Deben ser económicos .