SENSORES GENERADORES

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. Pero además que se basan en efecto reversibles estan relacionados con diversos tipos de accionadores o aplicaciones inversas en general. Es decir, que se pueden emplear para generación de acciones no electricas a partir de señales electricas.

Que es Efecto Reversible.
Se basa en la aparicion de una señal a, a partir de una señal b, se denomina efecto reversible cuando a partir de la señal b, se puede generar la señal a.

Que es Efecto Irreversible.

Se basa en la aparicion de una señal a, a partir de una señal b, se denomina efecto irreversible cuando a partir de la señal b, no se puede generar la señal a.

Que es Efecto Termoelectrico. 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. Los sensores que utilizan este efecto se llaman sensores termoeléctricos o tambien son llamados termopares.

Efecto Peltier.

Descubierto por Jean C. A. Peltier en 1834, consiste en el calentamiento o enfriamiento de una unión entre dos metales distintos al pasar corriente por ella; su explicacion basica seria que ciertamente 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. Al invertir el sentido de la corriente se invierte también el sentido del flujo de calor. Este efecto es reversible e independiente del contacto. Depende sólo de la composición y de la temperatura de la unión. esto se puede observar en la siguiente figura.

Al hacer circular corriente por un circuito de termopares una union se enfria y la otra se calienta.
Efecto Thompson.
Descubierto por William Thompson (Lord Kelvin) en 1847-54, 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 por ello, cambia de signo al hacerlo el sentido de la corriente. Se absorbe calor cuando la corriente fluye del punto más frío al más caliente y se libera cuando fluye del más caliente al más frío. Esto se muestra en la siguiente figura:

Efecto Seebeck.
Históricamente fue primero Thomas J. Seebeck quien descubrió, en 1822, que en un circuito formado por dos metales homogéneos, A y B, con dos uniones a diferente temperatura, aparece una corriente eléctrica. Es decir, hay una conversión de energía térmica a energía eléctrica.Si se abre el circuito, aparece una fuerza (termo)electromotriz (f.t.e.m.) cuya magnitud depende de la naturaleza de los metales y de la diferencia de temperatura entre las dos uniones.Al conjunto de estos dos metales con una unión firme en un punto se le denomina termopar.

Tipos de Termopares.
Para escoger los materiales que forman el termopar se deben tomar en cuenta algunos factores que garanticen su mantenimiento y comercialización. De esta forma se han desarrollado los siguientes tipos:

COBRE – CONSTANTANO (TIPO T)
Están formados por un alambre de cobre como conductor positivo y una aleación de 60% de cobre y 40% de níquel como elemento conductor negativo. Tiene un costo relativamente bajo, se utiliza para medir temperaturas bajo o 0 °C. Y como limite superior se puede considerar los 350º C, ya que el cobre se oxida violentamente a partir de los 400º C.

HIERRO – CONSTANTANO (TIPO J )
En este tipo de junta el hierro es electropositivo y el constantano electronegativo. Mide temperaturas superiores que el anterior ya que el hierro empieza a oxidarse a partir de los 700º C. No se recomienda su uso en atmósfera donde exista oxigeno libre. Tiene un costo muy bajo y esto permite que su utilización sea generalizada.

CHROMEL – ALUMEL (TIPO K)
Una aleación de 90% de níquel y 10% de cromo es el conductor positivo y un conductor compuesto de 94% de níquel, 2% de Aluminio, 3% de manganeso y 1% de Silicio como elemento negativo. Este termopar puede medir temperaturas de hasta 1200º C. Ya que el níquel lo hace resistente a la oxidación. Se los utiliza con mucha frecuencia en los hornos de tratamientos térmicos. Su costo es considerable lo que limita su utilización.

PLATINO RODIO – PLATINO (TIPO R)
Tienen como conductor negativo un alambre de platino y como conductor positivo una aleación de 87% de platino con 13% de sodio. Este tipo de junta desarrollada últimamente con materiales de alta pureza son capaces de medir hasta 1500º C si se utilizan las precauciones debidas.
Son muy resistentes a la oxidación pero no se aconseja su aplicación en atmósferas reductoras por su fácil contaminación con el hidrógeno y nitrógeno que modifican la respuesta del instrumento.

PLATINO RODIO – PLATINO ( TIPO S )
El conductor positivo es una aleación de 90% de platino y 10% de Rodio mientras que conductor negativo es un alambre de platino. Sus características son casi similares al termopar anterior con la diferencia que no puede usarse a temperaturas elevadas porque los metales no son de alta pureza produciendo alteraciones de la lectura a partir de los 1000º C. en adelante.

MOLIBDENO – RENIO
Fue desarrollado recientemente y se utiliza para temperaturas inferiores a los 1650º C. Se recomienda usarlos en atmósferas inertes, reductoras o vacío ya que el oxigeno destruye al termopar.

TUNSTENO – RENIO
Al igual que el anterior fue recientemente creado y no tiene datos normalizados de temperatura y mili voltajes. Puede medir temperaturas de hasta 2000º C, el oxigeno y los cambios bruscos de temperaturas destruyen al termopar. Funcionan perfectamente en atmósferas reductoras e inertes si se los protege con funda cerámicas.

IRIDIO – IRIDIO RODIO
Puede medir como máximo 2.000 °C. Su uso es recomendable en atmósferas oxidantes que contienen oxigeno libre. El Hidrógeno produce alteraciones permanentes en el termopar, reduciendo además su vida útil.

TUNGSTENO – TUNGSTENO RENIO
Tiene igual utilización que el tungsteno – renio con la única diferencia que genera mayor mili voltaje por grado. En la siguiente gráfica se muestra el mili voltaje generado por los termopares a diversas temperaturas de su junta caliente y con su junta fría a una temperatura de referencia de 32º F o 0 °C.

Construcción 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 en su construcción aleaciones especiales:
· Níquel (90)/Cromo(IO) -Cromel-;
· Cobre(57)1Niquel(43);
· Níquel(94 )1 Aluminio(2 )-Manganeso(3 )-S ilicio( I) -Alumel-
La protección frente al ambiente se logra mediante un encapsulado denominado Vaina que notmalmente es acero inoxidable. La velocidad de respuesta y la robustez de la sonda vendrán afectadas por el espesor del encapsulado.

Termopares se utilizan en los calentadores de gas para controlar la llama del piloto, de modo que si la llama se apaga, una caída de tensión se produce en el termopar eléctrico que hace que el valor para cerrar el gas. Termopares se utilizan en las fundiciones para medir las altas temperaturas de fundido de metales que sería difícil de medir por otros medios. Se utilizan para medir la temperatura de los chips de ordenador, especialmente a la CPU que pueden ser destruidos si se permite que se sobrecaliente. Termopares también se utilizan en aire acondicionado y frigoríficos.

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.

· 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 termoelectromotriz (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.

· Ley de los Metales Intermedios.
La suma algebraica de las f.t.e.m en un circuito compuesto de un número cualquiera 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.Una consecuencia de esta ley es que si se conoce la relación térmica de dos metales con un tercero, se puede encontrar la relación entre los dos primeros. Por lo tanto, no es preciso calibrar todos los posibles pares de metales para obtener su tabla tensión temperatura. Basta con conocer el comportamiento de cada metal con respecto a uno tomado como referencia (platino).

· Ley de las Temperaturas Sucesivas o Intermedias.
Si dos conductores homogéneos distintos producen una f.t.e.m. E1 cuando las uniones están a T1 y T2, y una f.t.e.m. E2 cuando las uniones están a T2 y T3, la f.t.e.m. cuando las uniones estén a T1 y T3 será E1+E2. Esto tiene una consecuencia práctica importante; la unión de referencia no tiene por qué estar a 0ºC, puede usarse otra temperatura de referencia. Incluso no tiene que ser fija siempre que sea conocida.

Efecto de la temperatura ambiente en la unión de referencia de los termopares.
Un termopar convencional con un tubo de protección metálico se encuentra sometido a una diferencia de temperatura, pues una parte de él está en contacto con el proceso y la otra extremidad en contacto con el ambiente, cada una de ellas a cierta temperatura. Es inevitable, por tanto, que por el conjunto sensor/tubo de protección exista un flujo de calor que parte de la región de mayor temperatura hacia la de menor temperatura. El equilibrio ocurre cuando el flujo de calor recibido por el sensor es igual al que se ha perdido, por lo que en tal situación su temperatura no es necesariamente igual a la temperatura del proceso.

Compensación de la unión de referencia en circuitos de termopares.
Para aplicar el efecto Seebeck a la medida de temperaturas, es necesario mantener una de las uniones a la temperatura de referencia. Una solución consiste en introducir la unión de referencia en hielo fundente, tal como se indica en la figura (a). Esta solución, aunque de gran exactitud, es poco práctica. Además se debe usar mucho hilo de uno de los dos metales, y esto es caro.La solución de la figura (b) permite emplear un hilo de conexión más económico, pero sigue precisando el mantenimiento de una temperatura de referencia constante.

Lo más frecuente es emplear la denominada compensación electrónica de la unión de referencia. Consiste en dejar la unión fría a la temperatura ambiente y medir esta con otro sensor dispuesto en sus cercanías. A la tensión del termopar se le suma la tensión que corresponde a la temperatura ambiente. De forma que es como si la unión fría estuviera a 0ºC. El circuito de compensación se diseña estableciendo la condición de que la corriente por el diodo sea de 1mA y que dV1/dT sea igual al coeficiente de Seebeck en el margen de temperatura ambiente.

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.

Estos termopares son de tipo estándar y tiene los siguientes código de colores de acuerdo a l tipo descrito en la tabla para su fácil conexión a los instrumentos o dispositivos de medición de temperatura.
Para seleccionar el tipo adecuado de termopar a usar en la aplicación es necesario observar los siguientes puntos básicos:

Rango de temperatura a medir.

Tolerancia y cantidad de error que permite la aplicación.

¿Es posible que el termopar toque al objeto sin que este sea invasivo y altere al objeto?

¿Qué tipo de contacto fisco se requiere para sensar la temperatura?

Sensores Piezoeléctricos.

El efecto piezoeléctrico consiste en la aparición de una polarización eléctrica en un material al deformarse bajo la acción de un esfuerzo.Es un efecto reversible, de modo que al aplicar una diferencia de potencial eléctrico a un materialpiezoeléctrico, aparece una deformación. Todos los materiales ferroeléctricos son piezoeléctricos. La propiedad piezoeléctrica está relacionada con la estructura cristalina.Estos fenómenos fueron descubiertos por Jacques y Pierre Curie en 1880.AplicacionesLa aplicación del efecto piezoeléctrico está sujeto a una serie de limitaciones.*La resistencia eléctrica que presentan los materiales piezoeléctricos aunque es muy grande no es infinita. De modo que al aplicar un esfuerzo constante se genera inicialmente una carga que inevitablemente es drenada al cabo de un tiempo. Por lo tanto, no tienen respuesta en continua.* Estos sensores presentan un pico en la respuesta para la frecuencia de resonancia. Por tanto, espreciso trabajar siempre a frecuencias muy inferiores a la de resonancia mecánica.*La sensibilidad presenta derivas con la temperatura. Además, por encima de la temperatura de Curie (específica para cada material) desaparece el efecto piezoeléctrico.* La impedancia de salida de estos sensores es muy alta, por lo que para medir la tensión de salida es preciso utilizar amplificadores con una impedancia de entrada enorme. Son los denominados amplificadores electrométricos o de carga.Entre las ventajas de los sensores piezoeléctricos destacaremos las siguientes:*Alta sensibilidad, obtenida muchas veces a bajo coste.* Alta rigidez mecánica; las deformaciones experimentadas son inferiores a 1μm. Esta alta impedancia mecánica es conveniente para la medida de variables esfuerzo (fuerza, presión, etc)*Pequeño tamaño y posibilidad de obtener dispositivos con sensibilidad unidireccional.Estas características hacen a este tipo de sensores especialmente adecuados para medir todo tipo de vibraciones. Por ejemplo una aplicación típica es como micrófono. También se utilizan mucho en la detección por ultrasonidos.

Sensores Piroeléctricos .
Este sensor tiene la capacidad de cambiar la polarización de algunos materiales sometidos a cambios de temperatura generarando un potencial eléctrico producido por el movimiento de las cargas positivas y negativas a los extremos opuestos de la superficie a través de la migración. Este tipo de fenómenos se observa en materiales dieléctricos que contienen polarizaciones espontáneas producidas por dipolos orientados. La piroelectricidad está estrechamente relacionada con la piezoelectricidad, de tal modo que todos los materiales piroeléctricos son también piezoeléctricos.El efecto piroeléctrico fue descubierto en minerales como el cuarzo y turmalina y otros cristales iónicos y se desarrolla en las caras opuestas de cristales asimétricos. La dirección de propagación suele ser constante a lo largo de un material piroeléctrico, aunque puede ser modificada por un campo eléctrico cercano.El material cristalino que constituye un sensor piroeléctrico genera una pequeña carga eléctrica cuando es expuesto al calor en forma de radiación infrarroja. El cristal cambia cuando la cantidad de radiación es notable, la carga también cambia y puede entonces ser medida con un dispositivo FET construido dentro del sensor. Y además son más rápidos que los termopares.
Aplicaciones:Las aplicaciones más comunes de estos sensores piroeléctricos son: o Pirómetros (medida de temperatura a distancia en hornos, vidrio o metal fundido) o Los sensores pasivos de infrarrojos. o Medida de radiación o Detección de llamas o Detección de pérdidas de calor en oficinas, residencias o edificios. o Medidas de potencia generadas por una fuente de radiación. o Analizadores de IR, o Detectores de CO2 y otros gases que absorben radiación, o 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. o Detección de pulsos láser de alta potencia. o En termómetros de alta resolución (6x10 °C). o Detector de personas o de movimiento.

Sensores Fotoeléctricos.

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.Hoy en día la mayoría de los sensores fotoeléctricos utilizan LEDs 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.

SENSORES MODULADORES

Los Sensores Moduladores son aquellos que varían un parámetro eléctrico en función de la variable a medir. La variable puede ser presión, temperatura, caudal, etc., y el parámetro eléctrico puede ser resistencia, inductancia, capacitancia o campo magnético o eléctrico.

1.Sensores resistivos.
Son aquellos que varían una resistencia en función de la variable a medir. De acuerdo a las variable a medir se clasifican en:

1.1 Potenciómetros.

Es un sensor utilizado para medir la variable mecánica desplazamiento, y consiste de un dispositivo con dos partes y tres terminales. Una de las partes es una resistencia fija descubierta la cual puede ser de carbón o de hilo arrollado.La otra parte es un contacto móvil que se desplaza por la resistencia fija.En Teoría, para un conductor cualquiera, su resistencia viene dada por:

(1)

donde

A continuación se muestra el modelo de un potenciómetro. Si se denomina x a la distancia recorrida por el cursos, la resistencia obtenida será:
(2)
Su modelo:


Otra forma podria ser:


La resistencia fija entre E y C está formada por una sección triangular variable de hilo arrollado. Este hilo tiene una sección A y diámetro D.
La ecuación de su resistencia es ahora:


(3)


El problema de este tipo de sensor es:
a. Varía con la temperatura.
b. Varía con la deformación de la sección transversal, causada por la presión o fuerzas ejercidas sobre el.
c. El contacto del cursor origina desgaste, modificando la sección transversal.

Los potenciómetros pueden dar una salida analógica, si la resistencia fija es de carbón, o digital, si la resistencia fija está formada por hilo arrollado.

El potenciómetro se utiliza para medir preferiblemente desplazamientos, conectando el objeto de medición a su cursor. Sin embargo, puede ser utilizado para medir otras variables de forma indirecta, cuando estas generen desplazamientos en otros dispositivos.
Por ejemplo:
a. Se puede utilizar para medir presión, si se conecta el cursor al extremo de un tubo Bourdon.
b. Para medir nivel en líquidos conductores o no conductores.
c. Para medir temperatura si se conecta al extremo de un medidor de bulbo y capilar.

En los casos a y c se utiliza para generar una señal eléctrica. Mientras que en el caso b es el elemento primario.


1.2. Galgas extensométricas.
Se basan en el efecto piezorresistivo ya descrito para el potenciómetro. LA diferencia es que ahora se busca modificar la resistencia variando algunos de los parámetro de la resistencia, por ejemplo, su longitud l o su sección transversal A.

Si a una pieza de material resistivo se le aplica un esfuerzo, esta se deformará, y cambiará su resistencia. Por tanto, este tipo de sensores se utiliza para medir fuerza o presión, aunque también puede aplicarse a la medida de desplazamientos pequeños.

Todo material al que se le aplica un esfuerzo se deformará en mayor o menor grado, y llegará a un punto en que se romperá. Esta relación esfuerzo vs. deformación se muestra en la siguiente gráfica.


Si se tiene un conductor cilíndrico de longitud l y sección transversal A, y se le aplica un esfuerzo perpendicular a la sección transversal, de tal forma de comprimirlo o estirarlo, es decir:



En la zona elástica lineal aplica la ley de Hooke (cambio de longitud por fuerza), es decir:
(4)

Este análisis tan simple no es aplicable para piezas tridimensionales, ya que al aplicar el esfuerzo en la dirección indicada es de esperar que también se altere la sección transversal A. Si denominamos D al diámetro involucrado, se debe definir un nuevo coeficiente, el coeficiente de Poisson, el cual viene definido como:

(5)

Se procederá a realizar un análisis de la relación de estas deformaciones con la resistividad del material.

Para los metales se cumple:

(6)

donde C es la constante de Bridgman (1,13 a 1,15 para galgas)

El volumen del resistor cilíndrico indicado al principio es:

(7)
Ya que

(8)

Sustituyendo (8) en (7)

(9)

Sustituyendo (9) en (6)

(10)

De (1)





Los principales problemas de las galgas son:

a. Cuidar el margen elástico.
b. El esfuerzo debe ser totalmente transversal a la galga.
c. LA temperatura altera su valor.

Ejemplos de galgas:


Las galgas se pueden aplicar a:

a. Medida de fuerza.
b. Medida de presión.
c. Medida de desplazamientos pequeños.
d. Medida de vibración.

1.3. Termorresistencias (Variable térmicas)

Una termorresistencia es un dispositivo que varía su resistencia con la temperatura. Suele denominarse RTD (Resistive temperature detector) por sus siglas en ingles.
El símbolo que la caracteriza es.

El símbolo sin flecha indica que la variación es intrínseca por la característica resistiva, no por manipulación manual.
La ecuación característica de las termorresistencia es la siguiente.

Este dispositivo tiene como limitaciones.
o No puede medir temperaturas próximas a la de la fusión del conductor con que se fabrica.
o El autocalentamiento ocasionará derivas en la medición.
o S se deforma, puede cambiar su patrón de medición.

Tiene como ventaja el ser diez veces mas sensible que los termopares, tal como se verá mas adelante.
Normalmente no es necesario considerar todos los coeficientes de la ecuación (19), sino que considerando solo el primer término se tiene una excelente aproximación, es decir,



Donde a es la sensibilidad del material, y R0 es la resistencia a la temperatura de referencia (normalmente 0 grados).
En la tabla siguientes muestran las Termorresistencias típicas:



La termorresistencia mas común por su linealidad es la de platino, que se suele denominar.

Pt100 (termorresistencia de platino con R0 =100 W a 0° C)
Pt1000 (termorresistencia de platino con R0 =1000 W a 0° C).

1.4. Termistores (Variables térmicas)

Los termistores también son resistencia que varían su magnitud con la temperatura. Se diferencian de las termorresistencia por que están basadas en semiconductores. Por tanto su característica no es lineal, aunque dentro de un margen adecuado pueda ser considerada de es amanera.
Su símbolo será:

La raya quebrada indica que no es lineal. El elemento positivo o negativo indica que tiene una característica positiva o negativa respectivamente. Es decir, si es de coeficiente positivo, PTC, la resistencia se incrementa con la temperatura. Si es de coeficiente negativo, NTC, disminuye con la temperatura.

En el caso de una NTC la ecuación característica será

donde.
B = temperatura característica del material (2000 K a 5000 K)
R0 = Resistencia a la temperatura de referencia T0, normalmente la temperatura ambiente (25 °C o 298 K)

Tiene como ventajas el ser más sensible que las Termorresistencias, mas rápidas y permite hilos de conexión mayores.

Tiene como desventaja el ser no lineal, y al variar su temperatura por el autocalentamiento del material.

Los termistores tiene muchas aplicaciones algunos de los cuales son.
a. Medida directa de temperatura por variación de corriente:

b. Medida de caudal en circuito puente.


c. Protección por autocalentamiento.

1.5. Magnetorresistencias (Variable magnéticas)
Las magnetorresistencias se basan en la variación de resistencia en un conductor por variaciones en el campo magnético. Este efecto se denomina efecto magnetorresistivo y fue descubierto por Lord Kelvin en 1856

Este tipo de sensores tiene la ventaja con respecto a los sensores inductivos, por ser de orden cero, y con respecto a los sensores de efecto Hall por ser más sensible y proveer un mayor margen de medición de medición.
Está formada por una aleación de Hierro y Níquel (permalloy)

Tiene las siguientes aplicaciones:
o Medición de campos magnéticos en las lectoras de tarjetas.
o Otras magnitudes que provean un cambio en el campo magnético, como el desplazamiento de una pieza, detectores de proximidad, nivel de flotador, etc. En estos casos se utiliza un imán que cambia su posición con el proceso. El campo generado por el imán es medido por la magnetorresistencia.

1.6. Fotorresistencias (Variables ópticas)

Las fotorresistencia o LDR, es un dispositivo que cambia su resistencia por el nivel de incidencia de luz. Esta formada por materiales semiconductores.
Su símbolo:

1.7. Higrómetros resistivos (Variables químicas)

El higrómetro se utiliza para medir humedad. Se basan en la variación de resistencia que experimentan los materiales por la humedad, como el vapor de agua en un gas o el agua absorbida en un líquido o sólido.
Un material típico es el aislante eléctrico, el cual disminuye su resistencia al aumentar su contenido de humedad.

1.8. Acondicionamiento: Puente de Wheastone, Amplificador de Instrumentación.

Los sensores resistivos deben ser conectados a circuitos de interfaz adecuado para poder aprovechar o medir el parámetro variado.
Tradicionalmente no se suele medir la resistencia que varía, sino la variación de otro parámetro que depende de esta, como la tensión, la corriente o la frecuencia.
En este capítulo nos centraremos en los circuitos de interfaz tradicionales, dejando la salida casi-digital o digital a capítulos posteriores.

Los métodos de acondicionamiento se clasificarán en:
a. Puente de Weatstone
Un puente de Wheatstone DOH es un instrumento eléctrico de medida inventado por. Samuel Hunter Christie en 1832, mejorado y popularizado por Sir Charles Wheatstone en 1843. Se utiliza para medir resistencias desconocidas mediante el equilibrio de los brazos del puente. Estos están constituidos por cuatro resistencias que forman un circuito cerrado, siendo una de ellas la resistencia bajo medida.

La Figura (a) siguiente muestra la disposición eléctrica del circuito y la Figura (b) corresponde a la imagen real de un puente de Wheatstone típico.

(a)

(b)

En la Figura (a) vemos que, Rx es la resistencia cuyo valor queremos determinar, R1, R2 y R3 son resistencias de valores conocidos, además la resistencia R2 es ajustable. Si la relación de las dos resistencias del brazo conocido (R1/R2) es igual a la relación de las dos del brazo desconocido (Rx/R3), el voltaje entre los dos puntos medios será nulo y por tanto no circulará corriente alguna entre esos dos puntos C y B.
Para efectuar la medida lo que se hace es variar la resistencia R2 hasta alcanzar el punto de equilibrio. La detección de corriente nula se puede hacer con gran precisión mediante el galvanómetro V.
La dirección de la corriente, en caso de desequilibrio, indica si R2 es demasiado alta o demasiado baja. El valor de la F.E.M. (E) del generador es indiferente y no afecta a la medida.

Cuando el puente esta construido de forma que R3 es igual a R2, Rx es igual a R1 en condición de equilibrio. (corriente nula por el galvanómetro).
Asimismo, en condición de equilibrio siempre se cumple que:

Si los valores de R1, R2 y R3 se conocen con mucha precisión, el valor de Rx puede ser determinado igualmente con precisión. Pequeños cambios en el valor de Rx romperán el equilibrio y serán claramente detectados por la indicación del galvanómetro.
De forma alternativa, si los valores de R1, R2 y R3 son conocidos y R2 no es ajustable, la corriente que fluye a través del galvanómetro puede ser utilizada para calcular el valor de Rx siendo este procedimiento más rápido que el ajustar a cero la corriente a través del medidor.

b. Amplificador de instrumentación.
Un amplificador de instrumentación es un dispositivo creado a partir de amplificadores operacionales. Está diseñado para tener una alta impedancia de entrada y un alto rechazo al modo común (CMRR). Se puede construir a base de componentes discretos o se puede encontrar encapsulado (por ejemplo el INA114).
La operación que realiza es la resta de sus dos entradas multiplicada por un factor.
En la siguiente figura se muestra la estructura de un amplificador de instrumentación: ES MUY UTILIZADO PARA AMPLIFICAR SEÑALES DEBILES EN HOSPITALES Y CENTROS DE URGENCIA, EJ: ELECTROCARDIOGRAMA y en muchas aplicaciones industriales


Al existir realimentación negativa se puede considerar un cortocicuito virtual entre las entradas inversora y no inversora (símbolos - y + respectivamente) de los dos operacionales. Por ello se tendrán las tensiones en dichos terminales y por lo tanto en los extremos de la resistencia Rg

Así que por ella circulará una corriente

Y debido a la alta impedancia de entrada del A.O., esa corriente será la misma que atraviesa las resistencias R1.Por lo tanto la tensión que cae en toda la rama formada por Rg,R1yR1será:

Simplificando:

Que será la DIFERENCIA de tensión entre la salida inmediata de los dos A.O. 's(justo antes de las R2). Puesto que el resto del circuito es un restador de ganancia la unidad (R2=R3) su salida será exactamente la diferencia de tensión de su entrada(sin añadir ganacia), la cual se acaba de definir.

Nótese como se ha simplificado la expresión dando valores iguales a las resistencias.En caso de que las resistencias no sean iguales, la ganancia total del amplificador de instrumentación será:

En circuitos integrados suele encapsularse todo excepto la resistencia Rg para poder controlar la ganancia. También puede sustituirse la conexión a tierra por otra a una tensión dada.

Aplicaciones

Para acondicionar la salida de un puente de Wheatstone.
Para amplificar señales eléctricas biológicas (por ejemplo en electrocardiogramas).
Como parte de circuitos para proporcionar alimentación a corriente constante.
En fuentes de alimentación.

2. Sensores de reactancia variable

Los sensores de reactancia variable tiene las siguientes ventajas con respecto a los resistivos:

a. Efecto de carga mínimo o nulo.
b. Ideales para la medida de desplazamientos lineales y angulares y para la medida de humedad.
c. La no-linealidad intrínseca puede superarse usando sensores diferenciales.

Como limitación tiene que la máxima frecuencia de variación admisible en la variable medida debe ser menor a la frecuencia de la tensión de alimentación empleada.

2.1. Sensores Capacitivos

Los sensores de este tipo pueden ser simples (Co +/- C) y diferenciales (Co + C , Co – C). El caso simple es el condensador variable.

2.1.1. Condensador variable

Un condensador esta formado por dos placas y un dieléctrico.

Donde

pero la capacidad C es función de la geometría del conductor, el material del dieléctrico.

Por ejemplo, para un condensador de placas planas y paralelas se tiene:

donde e0 = 8.85 pF/m y er = e / e0
e es la constante dieléctrica del material y e0 es la constante dieléctrica del vacío

Por tanto, con variar la geometría o el dieléctrico se puede usar para medir un fenómeno físico.

Los problemas que presenta este tipo de medidor es que.

a. No se puede despreciar el efecto de los bordes .
b. El aislamiento entre placas debe ser alto y constante.
c. Existen muchas interferencias capacitivas.
d. Los cables de conexión generan condensadores parásitos.

El efecto de bordes es importante ya que en la ecuación de C se indica que esta está afectada por la distancia entre las placas. Realmente está afectada por la distancia que recorren los electrones desde una placa a la otra. Esto es asumiendo que se desplazan perpendicularmente sobre las placas. Pero en la práctica no es así, y ocurre que en los bordes el desplazamiento es angular, recorriendo una distancia mayor. Esto genera un error.
Esto se corrige utilizando guardas. La guarda consiste en rodear un o de los electrodos con un anillo puesto al mismo potencial del mismo electrodo. Veamos la figura representativa del fenómeno.

Las interferencias capacitivas consiste en que entre cada conductor existen condensadores parásitos. Una solución en este caso es apantallar el cable para llevar todos los posibles contactos a tierra.

Otro problema mencionado son los cables de conexión. Al apantallar el cable para reducir las interferencias capacitivas, se introduce un nuevo error, si el cable es largo:; Es la aparición de capacidades en paralelo a lo largo del cable.

La linealidad es otro elemento a destacar ya que según sea el parámetro que se tome, podremos obtener una salida directamente proporcional o inversamente proporcional, y por tanto no lineal. Si lo que varía es la distancia d y se mide la admitancia (proporcional a C), la medida sería no lineal. Pero si se mide la impedancia, la medida seria lineal.

El uso de sensores diferenciales permitirá superar esta dificultad.

Otro problema importante es la alta impedancia de salida de este tipo de sensores, determinada por el dieléctrico no conductor utilizado.

Para resolver en este caso existen tres alternativas:

a. Colocar la electrónica de acondicionamiento.
b. Usar un transformador de impedancia.
c. Medir la intensidad de corriente en vez de la tensión.

Es indudable que estos sensores tienen ventajas con respecto a sus homólogos resistivos. Algunas de ellas son.

a. Como sensor de desplazamiento tienen un error por carga mecánica casi nulo: sin fricciones, ni histéresis. La fuerza para mover el elemento móvil en un condensador plano es:

Para valores reales, la fuerza necesaria para producir un desplazamiento es casi despreciable.

a. Estos sensores tienen una estabilidad y reproducibilidad elevadas. C no depende de la conductividad de las placas y por tanto tampoco de la temperatura.
b. Se puede obtener una alta resolución, al variar bastante la capacidad. Se puede detectar hasta 10 pm de distancia.

Estos sensores se suelen aplicar para medir desplazamientos. Si el desplazamiento es grande o pequeño, se prefiere utilizar d variable. Si el desplazamiento es intermedio (1-10 cm), se prefiere variar el área de acción entre las placas.
Normalmente la capacidad en estos sensores varía de 500 pF a 1 pF, y se trabaja con frecuencias de 10 kHz para que la impedancia sea pequeña.

Algunas aplicaciones de los sensores son.

a. Medida de desplazamientos lineales y angulares.
b. Detector de proximidad.
c. Cualquier otra magnitud que se pueda convertir en desplazamiento.
d. Medidas de nivel de líquido conductor y no conductor.

2.1.2. Condensador diferencial

La ventaja de los condensadores diferenciales está en que proveen una salida lineal y permiten la medida tan pequeña como 10-13 mm a 10 mm, y capacidades desde 1 pF a 100 pF.

Consiste en un principio similar al de los sensores resistivos diferenciales: mientras uno se incrementa el otro disminuye en la misma proporción, y viceversa.

En el caso de que se quiera medir desplazamientos o distancia una configuración típica es:

2.1.3. Acondicionamiento: divisor de tensión, amplificador de carga, amplificador de transconductancia

Los sensores capacitivos presentan una situación particular que deben ser alimentados con una señal alterna de excitación. Como se prefiere una capacidad sensora menor a 100 pF, la frecuencia oscilará entre 10 kHz y 100 MHz.

Los circuitos de acondicionamiento dependerán de si el sensor es simple o diferencial.

Para el caso de condensador simple se tiene.

Circuito Linealizador

Este circuito es excitado a corriente constante, por lo que:


Divisor de tensión:
El divisor de tensión es un circuito simple que también se aplica para estos sensores.

Ahora

Para eliminar la tensión fija que aparece en un divisor de tensión se prefiere utilizar un puente de sensores.

Si Z1= Zo(1+x) y si Zo=Z2=Z3=Z4, entonces.

Si ahora se tiene el caso del condensador diferencial veamos que se tiene.
SI se utiliza un divisor de tensión

Entonces:

Lo cual tiene un componente común.

2.2. Sensores inductivos

Los sensores inductivos son aquellos que producen una modificación de la inductancia o inductancia mutua por variaciones en un campo magnético. Esta variaciones pueden ser fruto de perturbaciones en el campo, o modificación de la distancia de influencia del campo. Solo hablaremos de dos tipos: la reluctancia variable y la inductancia mutua.

2.2.1. Reluctancia variable

Este tipo de sensor se basa en la ley.

donde f es el flujo de campo magnético, I es la corriente y N es el número de vueltas del inductor.

Pero el flujo magnético es igual al cociente entre la fuerza magnetomotriz M y la reluctancia magnética R, y además, M = NI, por lo que

Para una bobina de longitud L y sección de área A, donde la longitud sea mucho mayor que el diámetro de las espiras se tiene:

donde

mr es la permeabilidad relativa del núcleo
L = recorrido de las líneas de campo en el aire.
A = Area delas bobinas.

Normalmente se aprovechan las variaciones de la longitud y de la permeabilidad.

Cuando lo que varía es la distancia L se está hablando de sensores de entrehierro variable, y cuando lo que varia es la permeabilidad se dice que se está hablando de sensores de núcleo móvil.

Esto sensores tiene los siguientes problemas:

a. Los campos magnéticos parásitos afectan a L, por lo que se deben apantallar.
b. La relación L y R no es constante y varía hacia los extremos.
c. L y R son inversamente proporcionales, por lo que las medidas serán normalmente no lineales.
d. La temperatura de trabajo debe ser menor a la de Curie del material usado.

Por contra tienen la siguientes ventajas:

a. La humedad los afecta muy poco.
b. Tiene poca carga mecánica.
c. Y una alta sensibilidad.

Algunas configuraciones típicas se muestran a continuación:

2.2.2. Inductancia mutua (LVDT)
Este tipo de sensores se basa en la variación de la inductancia mutua entre un primario y cada uno de los dos secundarios al desplazar el núcleo. La denominación LVDT viene de Linear Variable Differential Transformer

Aunque este dispositivo cambia la impedancia mutua, la salida es una tensión alterna modulada, no un cambio de impedancia.

Tiene como limitaciones que en el centro la inductancia mutua no se anula, por deficiencias en el proceso de construcción. Además existe la presencia de armónicos en la salida

Sin embargo tiene las siguientes ventajas:

a. Resolución infinita.
b. Poca carga mecánica.
c. Bajo rozamiento: vida ilimitado y alta fiabilidad.
d. Ofrecen aislamiento eléctrico entre el primario y el secundario.
e. Aísla el sensor (vástago) del circuito eléctrico
f. Alta repetibilidad.
g. Alta linealidad.

Tiene alcances desde 100 micrometro hasta 25 centímetros.

Cuando estos dispositivos tiene la electrónica DC se denominan LVDT de continua (DCLVDT).

SI la medida es angular se denominan RVDT.

Algunas aplicaciones se muestran a continuación.

2.2.3. Acondicionamiento

Para el acondicionamiento de los sensores inductivos se suele utilizar los divisores de tensión y puentes de alternas vistos para los sensores capacitivos.

Para el LVDT habrá que utilizar un amplificador de portadora y detección coherente.

Como su salida es de suficiente amplitud no suelen requerir de amplificación. Una alternativa es usar rectificadores de media onda u onda competa, y restar el resultado.

3. Sensores electromagnéticos

3.1. Basados en la ley de Faraday

Se basa en el principio de que una variación en el flujo magnético sobre una bobina, genera una fuerza electromotriz.

Las condiciones que deben cumplirse para poder usar este tipo de medidor son:

o Perfil de velocidades simétrico.
o Tubería no metálica ni magnética: teflón o cerámica.
o Electrodo de acero o titanio
o Tubería llena
o Campo magnético continuo o alterno.
o Ideal para aguas residuales, líquidos corrosivos o con sólidos en suspensión.

3.2. Basados en el efecto Hall

El efecto hall se refiere a la generación de un potencial en un conductor por el que circula una corriente y hay un campo magnético perpendicular a esta.

Tiene como limitación.

o La temperatura cambia la resistencia del material.
o Hay un error de cero debido a inexactitudes físicas,

Tiene como ventajas:

o Salida independiente de la velocidad de variación del campo magnético.
o Inmune a las condiciones ambientales.
o Sin contacto.

Se puede aplicar a la medida de campos magnéticos, medida de desplazamientos, etc.