domingo, 22 de febrero de 2009

Sensores generadores

Que es efecto reversible
El efecto reversible es la generacion de una señal a partir de otra la cual, generó dicha señal, es decir, si una señal x se genera a partir de la señal Y, con el efecto reversible se genera la señal Y a partir de la señal X.

Que es efecto irreversible.
Es todo lo contrario al efecto reversible, es decir, si una señal X se genera con una señal Y, el efecto reversible no permite generar la señal Y a partor de X.

Que es efecto termoelectrico.
Es la relación del flujo de calor que recorre un material con la corriente que lo atraviesa. 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. Seebeck se dio cuenta de que una aguja metálica es desviada cuando se la sitúa entre dos conductores de materiales distintos unidos por uno de sus extremos y sometidos a una diferencia de temperatura. Este efecto es de origen eléctrico, ya que al unir dos materiales distintos y someterlos a una diferencia de temperatura aparece una diferencia de potencial. La principal aplicación práctica del efecto Seebeck es la medida de temperatura mediante termopares.

Unos años más tarde, en 1834, el físico francés Jean-Charles Peltier descubrió el segundo efecto termoeléctrico: en la unión de dos materiales diferentes sometidos a una corriente eléctrica aparece una diferencia de temperaturas.
El físico inglés Williams Thomson (Lord Kelvin) demuestra en 1854 que los efectos Seebeck y Peltier están relacionados: un material sometido a un gradiente de temperatura y recorrido por una corriente eléctrica intercambia calor con el medio exterior. Recíprocamente, un material sometido a un gradiente de temperatura y recorrido por un flujo de calor genera una corriente eléctrica. La diferencia fundamental entre los efectos Seebeck y Peltier considerados por separado y el efecto Thomson es la existencia de este último en un único material, sin necesidad de que exista una unión entre materiales distintos. :

a) Reversibles: Efecto Peltier y Efecto Thompson.
b) Irreversibles: Efecto Joule.

Defina con texto y con gráficos el Efecto Peltier
Descubierto por Jean C.A. Peltier en 1834, consiste en el calentamiento o enfriamiento de una unión entre dos metales distintos (interface isotérmico) al pasar corriente por ella. Al invertir la corriente, se invierte también el sentido del flujo del calor. Este efecto es reversible e independiente de las dimensiones del conductor. Depende solo del tipo de metal y de la temperatura de la unión.
Por lo anterior el efecto Peltier es un efecto de Juntura.

Si se sueldan dos alambres de metales distintos como el hierro y cobre y se calienta la unión se una tensión eléctrica. La tensión generada depende de cada combinación de metales pero siempre es baja. Se tiene en cuenta que al calentarse producen una tensión que va en aumento al aumentar la temperatura.
El segundo fenómeno utilizable es el que ocurre cuando se aplica una tensión en los extremos de los alambres soldados. Ocurre que la soldadura se calienta o enfría según el sentido de circulación de la corriente.



















Cuando se hace circular una corriente I a través del circuito, se desprende calor de la unión superior y es absorbido por la unión inferior. El calor de Peltier absorbido por la unión inferior por unidad de tiempo, es igual a:


Donde Π es el coeficiente de Peltier ΠAB de la termopareja completa, y ΠA y ΠB son los coeficientes de cada material. El silicio tipo-p tiene un coeficiente Peltier positivo a temperaturas inferiores a 550k y el silicio tipo-n tiene un coeficiente Peltier negativo.
Los conductores intentan volver al equilibrio electrónico que existía antes de aplicar la corriente. Para ello absorben la energía de un foco y la desprenden en el otro. Las parejas individuales pueden ser conectadas en serie para incrementar el efecto.
La dirección de la transferencia de calor es controlada por la polaridad de la corriente. Al invertir la polaridad se cambia la dirección de la transferencia y, como consecuencia, la unión donde se desprendía calor lo absorberá y donde se absorbía lo desprenderá.

Defina con texto y con gráficos el Efecto Thompson
Descubierto por William Thompson en 1856, consiste en la absorción o liberación de calor por parte de un conductor homogéneo sometido a un gradiente de temperatura por el que circula una corriente. El calor liberado es proporcional a la corriente y por ello cambia de signo al cambiar la dirección de la corriente. Liberándose calor cuando la corriente circula del punto más caliente hacia el más frío.






























Defina con texto y con gráficos el Efecto Seebeck
Consiste en la aparición de una diferencia de potencial entre dos puntos de un conductor eléctrico que se encuentra de manera simultánea a diferentes temperaturas.
El efecto Seebeck es solamente un efecto termoeléctrico que convierte calor en electricidad.
Rigurosamente el efecto Seebeck no es un efecto de juntura. Pero es muy aplicado a materiales con características diferentes.






















Tipos de Termopares .

Tipo K (Cromo(Ni-Cr) Chromel / Aluminio (aleación de Ni-Al) Alumel): con una amplia variedad de aplicaciones, está disponible a un bajo costo y en una variedad de sondas. Tienen un rango de temperatura de -200 ºC a +1.372 ºC y una sensibilidad 41µV/°C aprox. Posee buena resistencia a la oxidación.
Tipo E (Cromo /Constantán (aleación de Cu-Ni)): No son magnéticos y gracias a su sensibilidad, son ideales para el uso en bajas temperaturas, en el ámbito criogénico. Tienen una sensibilidad de 68 µV/°C.
Tipo J (Hierro / Constantán): debido a su limitado rango, el tipo J es menos popular que el K. Son ideales para usar en viejos equipos que no aceptan el uso de termopares más modernos. El tipo J no puede usarse a temperaturas superiores a 760 ºC ya que una abrupta transformación magnética causa una descalibración permanente. Tienen un rango de -40ºC a +750ºC y una sensibilidad de ~52 µV/°C. Es afectado por la corrosión.
Tipo N (Nicrosil (Ni-Cr-Si / Nisil (Ni-Si)): es adecuado para mediciones de alta temperatura gracias a su elevada estabilidad y resistencia a la oxidación de altas temperaturas, y no necesita del platino utilizado en los tipos B, R y S que son más caros.
Por otro lado, los termopares tipo B, R y S son los más estables, pero debido a su baja sensibilidad (10 µV/°C aprox.) generalmente son usados para medir altas temperaturas (superiores a 300 ºC).
Tipo B (Platino (Pt)-Rodio (Rh)): son adecuados para la medición de altas temperaturas superiores a 1.800 ºC. Los tipo B presentan el mismo resultado a 0 ºC y 42 ºC debido a su curva de temperatura/voltaje, limitando así su uso a temperaturas por encima de 50 ºC.
Tipo R (Platino (Pt)-Rodio (Rh)): adecuados para la medición de temperaturas de hasta 1.300 ºC. Su baja sensibilidad (10 µV/°C) y su elevado precio quitan su atractivo.
Tipo S (Platino / Rodio): ideales para mediciones de altas temperaturas hasta los 1.300 ºC, pero su baja sensibilidad (10 µV/°C) y su elevado precio lo convierten en un instrumento no adecuado para el uso general. Debido a su elevada estabilidad, el tipo S es utilizado para la calibración universal del punto de fusión del oro (1064,43 °C).
Los termopares con una baja sensibilidad, como en el caso de los tipos B, R y S, tienen además una resolución menor. La selección de termopares es importante para asegurarse que cubren el rango de temperaturas a determinar.


Construcción de Termopares.
Los termopares eléctricos están construidos simplemente por dos cables de diferentes materiales y empalmados en un extremo, el punto de empalme es la punta que detecta la temperatura, y estos entregan una señal en milivolts, proporcional a la temperatura, el termopar mas usado por sencillo eficiente y barato es el de tipo “J” y esta constituido por dos cables uno de hierro y otro de un material llamado constantan.


Para fabricar un termopar, se necesita un cable con los dos conductores aislados independientemente y que estén dentro de una malla de acero o algún material como fibra de vidrio, por lo que para hacer un termopar solo se corta un tramo de cable de este tipo de la longitud deseada y en un extremo pelar las puntas y empalmarlas o cortocircuitarlas, y del otro extremo las puntas se conectan a algún aparato que mida este tipo de termopar como un control de temperatura o a un multimetro.


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. Leyes que se presentan a continuación:


· 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.














· Ley de los Metales Intermedios


La suma algebraica de las fuerzas termoelectromotrices en un circuito compuesto por un número cualquiera de metales distintos es cero si todo el circuito se encuentra a temperatura uniforme.













· Ley de las temperaturas sucesivas o intermedias.
Dos metales homogéneos diferentes producen una tensión V12, cuando sus uniones están a T1 y T2, y, hay una tensión V23 cuando están a temperaturas T2 y T3, Entonces, la tensión que aparecerá cuando las uniones se encuentren a T1 y T3 será la suma de las caídas de tensión V12 + V23 e igual a V13.







Efecto de la temperatura ambiente en la unión de referencia de los termopares.
En las Centrales industriales es muy común el hecho de que el termopar, introducido en un medio cuya temperatura se desea medir o controlar, y el instrumento de lectura de la fuerza electromotriz termoeléctrica generada por este, estén físicamente distantes. También es muy frecuente que exista una diferencia de temperatura entre la junta de referencia del termopar y la temperatura del ambiente en donde está instalado el instrumento de medición.


Compensación de la unión de referencia en circuitos de termopares.

Para aplicar el efecto seebebck a la medida de temperatura es necesario mantener una de las uniones a una temperatura de referencia. Una solución es disponer la unión de referencia en hielo fundente.


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 Compensación electrónica consiste en dejar que la unión de referencia sufra las variaciones de la temperatura ambiente, pero esta se detectan 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.
Explicación de la tabla estandar de termopares.

Los termopares comerciales se designan por letras (T, E, J, K, R) que identifican los materiales que contienen y se especifican generalmente por su sensibilidad o coeficiente térmico (MV/ºC). El tipo E, J, K, y T son termopares de base metálica y se pueden utilizar hasta por encima de 1000°C. El tipo S, R, y B se denominan termopares nobles por poseer platino como elemento básico y se pueden utilizar hasta por encima de 2000°C.

Se establece uniformidad en la designación de los termopares y cables de extensión, por medio de colores en sus aislamientos e identificar su tipo o composición asi como su polaridad.


Sensores piezoeléctricos

En el efecto Piezo-Eléctrico la energía pasa de eléctrica a mecánica. Fue descubierto en el siglo XIX (circa 1880), por los hermanos Curie. Su principio está basado en la fuerza o presión aplicada a una sustancia compuesta por cristales polarizados (piezo significa presión en griego). Al ejercer presión sobre el cristal, éste se desforma produciendo una descarga eléctrica. Esto significa que en los micrófonos piezo-eléctricos, la presión acústica se transforma en voltaje.
El efecto Piezo-Eléctrico es conmutativo y también funciona en forma opuesta contraria a su dirección original. Esto quiere decir que al aplicar una descarga eléctrica a un cristal polarizado, el cristal se desforma produciendo un movimiento que genera presión acústica.

Los sensores piezoeléctricos se utilizan para medidas de presión, aceleración, tensión o fuerza. Se basan en el efecto piezoeléctrico. La conversión de la fuerza aplicada es proporcional a la carga eléctrica y posibilita la aplicación en procesos industriales para la adquisición de la magnitud fuerza.

La principal ventaja de la técnica piezoeléctrica radica en una escasa deformación, unos pocos micrometros (micras).

Con la tecnología piezoeléctrica es posible medir un campo de medida muy amplio con precisión y fiabilidad. Otra ventaja es la adquisición de valores muy pequeños como las oscilaciones con una carga nominal alta. La carga muerta puede ser anulada fácilmente.

Sensores piroeléctricos

La piroelectricidad es el cambio en la polarización de un material sometido a cambios de temperatura. Este tipo de fenómenos se observa en materiales dieléctricos que contienen polarizaciones espontáneas producidas por dipolos orientados.
Estos efectos han sido conocidos por el hombre desde hace muchos años, recibió este nombre de D. Brewster en 1824. Pero la investigacion de la pyroelectricidad en polímeros es relativamente nueva pues data de mediados del siglo XX, sin embargo los resultados iniciales fueron pobres y no atractivos a nivel comercial. Grandes adelantos ocurrieron en 1971, con el descubrimiento de los efectos piroeléctricos en el fluoruro de polivinilideno PVDF por J.B. Bergman, J.H. y solamente después de que el Dr. H. Kawai descubrió la piezoelectricidad en el mismo material.

El sensor piroelectrico esta hecho de un material cristalino que genera una pequeña carga eléctrica cuando es expuesto al calor en forma de radiación infrarroja. Cuando la cantidad de radiación es notable el cristal cambia, la cantidad de carga también cambia y puede entonces ser medida con un sensible dispositivo FET construido dentro del sensor. Los elementos del sensor son sensibles a la radiación en un amplio rango entonces se agrega una ventana que actúa como filtro para limitar la radiación de llegada a un rango de 8 a 14 micras donde es mas sensible a la radiación del cuerpo humano.

Los sensores piroeléctricos cuentan con una respuesta más rápida que los termopares, empleándose incluso para la detección de pulsos de radiación de picosegundos y con energías desde los nanojulios hasta julios. Las aplicaciones más comunes de estos sensores son:
Pirómetros (medida de temperatura a distancia en hornos, vidrio o metal fundido)
Detección de pérdidas de calor en oficinas, residencias o edificios.
Medidas de potencia generadas por una fuente de radiación.
Analizadores de IR,
Detectores de CO2 y otros gases que absorben radiación,
Detectores de IR emitidas por el cuerpo humano (para detección de intrusos y de presencia en sistemas de encendido automático de iluminación o calefacción de viviendas, apertura de puertas.
Detección de pulsos láser de alta potencia y
En termómetros de alta resolución (6x10 °C).

Sensores fotoeléctricos

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 sensado 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.

domingo, 15 de febrero de 2009

Laboratorio #2

Universidad Nacional Experimental Politécnica
"Antonio José de Sucre"
Vice-rrectorado Puerto Ordaz
Departamento de Ingeniería Electrónica





ACONDICIONAMIENTO DE SENSORES









Azócar Elías
Cayones Marilyana
Granado Angel
Velásquez Verónica

Introducción

A continuación se analizará la importancia del amplificador de instrumentación como interfaz para sensores a partir de los errores de cero, de ganancia y de linealidad que arroje.
Se realizarán medidas experimentales al sensor termistor RS 256-073 y termorresistencia RS 341-452, con un circuito posteriormente explicado y se compararán los resultados de las experiencias con las medidas teóricas y se establecerán notas y conclusiones de ellas.

Objetivos
Analizar la importancia del amplificador de instrumentación como interfaz para sensores.
Calcular los errores obtenidos diferenciando el de cero, ganancia y no linealidad.

Fundamento teórico
Los sensores más abundantes basados en la variación de la resistencia eléctrica de un dispositivo son los más abundantes, debido a que muchas magnitudes físicas afectan al valor de la resistencia eléctrica de un material.
De los sensores para medir temperatura más usados se encuentran los termistores y termorresistencias, siendo el termistor un semiconductor que varía el valor de su resistencia eléctrica en función de la temperatura, (Thermally sensitive resistor), (Resistor sensible a la temperatura en inglés). Existiendo dos clases de termistores: NTC (si su resistencia es inversamente proporcional a la temperatua) y PTC (si su resistencia aumenta con la temperatura). Por su parte la termorresistencia trabaja según el principio de que en la medida que varía la temperatura, su resistencia se modifica, y la magnitud de esta modificación puede relacionarse con la variación de temperatura.

Descripción del circuito propuesto
Se debe primero determinar el margen de medida del sistema.
Luego se calculan los valores de las variables asignadas a los porcentajes establecidos, (0 %, 25%, 50%, 75%, 100% del margen de medida).
Proceder a medir la variable desde el valor mayor al menor, registrando los resultados en la tabla.
El montaje para ambos sensores es una configuración del puente de wheatstone.

Procedimiento experimental.
Se procede a medir las variaciones de tensión para cada sensor variando la temperatura desde 0°C a 100°C y se procede a llenar la tabla siguiente.
Medidas obtenidas.
Medidas para el termistor


Medidas para la termorresistencia

Cálculo de errores.



Análisis de errores.
Error de cero:
Es la desviación de la salida del sistema del cero cuando no hay entrada. Se alcanzaron bajas temperaturas pero no menores a 3°C y las tensiones de salida de ambos circuitos no fue lo suficientemente baja, sin embargo, aunque hubiese sido menor a 1 voltio no es posible medir el error en 0°C.
Error de linealidad:
Con la gráfica de medida de temperatura experimental vs temperatura patrón se aproxima la relación con una recta de regresión de los mínimos cuadrados, calculando el coeficiente de correlación para ambos sensores dando como resultado una recta para ambos sistemas mostrando una mejor linealidad para el termistor, es decir, el circuito es lineal. Por ende, se puede decir que el error de linealidad es casi nulo aunque haya un error pero muy pequeño.
Error de ganancia:
Es el aumento de la desviación con respecto al aumento de la entrada de los sensores en la recta de regresión. El error aumenta mientras aumenta la temperatura.

Conclusión
El puente de wheatstone corrigió el error de linealidad en los sensores y cabe destacar que se usó un amplificador de instrumentación para la medición por deflexión.
El circuito para el termistor mejora la linealidad en la salida del circuito pero es menos sensible; debido a los rápidos cambios de voltaje en la salida del sistema
Recomendación.
Tomar en cuenta la tolerancia de las resistencias y el tipo de potenciómetros a utilizar, preferiblemente usar potenciómetros de precisión.