SENSORES TERMOELECTRICOS: TERMOPARES

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.

EFECTO PELTIER

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.

EFECTO THOMPSON

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.

Sensor piezoeléctrico Descripción:

Un sensor piezoeléctrico (también conocido como zumbador) es un dispositivo que utiliza

el efecto piezoeléctrico para medir presión, aceleración, tensión o fuerza; transformando las

lecturas en señales eléctricas.

Están formados por dos chapas muy finas de distintos metales, o en ocasiones, de una

chapa de metal sobre la que se deposita una capa fina de cerámica o algún tipo de cristal.

De este modo, al recibir una presión emiten una corriente eléctrica, que no es tan alta como

para notarla en la mano, pero sí es suficiente para generar una señal electrónica útil para

algunas aplicaciones.

Esta propiedad es en cierto modo reversible: si se le aplica una corriente eléctrica mínima,

el piezoeléctrico vibrará.

Por este motivo es que también reciben el nombre de zumbadores.

Funcionamiento:

Efecto piezoeléctrico, fenómeno físico por el cual aparece una diferencia de potencial

eléctrico (voltaje) entre las caras de un cristal cuando éste se somete a una presión

mecánica. El efecto funciona también a la inversa: cuando se aplica un campo eléctrico a

ciertas caras de una formación cristalina, ésta experimenta distorsiones mecánicas.

Dada su capacidad de convertir la deformación mecánica en voltaje eléctrico, y el voltaje

eléctrico aplicado en deformación mecánica, los cristales piezoeléctricos encuentran un

basto campo de aplicaciones en:

* Transductores de presión

* Agujas para los reproductores de discos de vinilo

* Micrófonos.

* Cristales resonadores para los relojes y en osciladores electrónicos de alta frecuencia.

* Generadores de chispas en encendedores

Aplicaciones

Los sensores piezoeléctricos son catalogados como herramientas versátiles para la medición

de varios procesos. Son utilizados para garantías de calidad, procesos de control,

investigación y desarrollo en diferentes campos industriales. Aunque el efecto

piezoeléctrico fue descubierto por Curie en 1880, éste comenzó a ser implementado en las

aéreas sensoriales de la industria solamente a partir del año 1950. Desde entonces, el uso de

este principio de medición se ha incrementado, ya que puede ser considerado como una

tecnología madura gracias a su fácil manejo y su alto nivel de confiabilidad. Tiene

aplicaciones en campos como la medicina, la industria aeroespacial y la instrumentación

nuclear, así como pantallas táctiles de teléfonos celulares. En la industria automovilística,

los elementos piezoeléctricos son utilizados para monitorear la combustión durante el

desarrollo de motores de combustión interna. Los sensores pueden estar, bien sea montado

directamente en hoyos adicionales en la culata o en las bujías las cuales están equipadas

con un sensor piezoeléctrico en miniatura.[1]

El ascenso de la tecnología piezoeléctrica está directamente relacionado a un conjunto de ventajas

inherentes. A pesar de que los sensores piezoeléctricos son sistemas electromecánicos que

reaccionan a la compresión, los elementos sensoriales muestran casi una deflexión nula. Por esta

razón los sensores piezoeléctricos son tan precisos, tienen una frecuencia natural

extremadamente alta y una excelente linealidad en amplio rango. Además, la tecnología

piezoeléctrica es insensible a campos electromagnéticos y radiación, facilitando mediciones bajo

condiciones adversas. Algunos materiales usados (especialmente fosfato de galio [2] o turmalina),

poseen un alto grado de sensibilidad incluso al ser expuestos a altas temperaturas, permitiendo

que el sensor sea eficiente hasta temperaturas de 1000 °C. La turmalina también posee

piroelectricidad; gracias a esta característica se genera una señal eléctrica cuando la temperatura

del cristal es alterada. Este efecto es muy común en materiales piezocerámicos.

Una desventaja de los sensores piezoeléctricos es que no se pueden usar para tomar mediciones

de estática verdadera. Una fuerza estática resultaría en una cantidad fija de cargas sobre el

material piezoeléctrico. Trabajar con dispositivos de visualización convencionales, materiales

aislantes imperfectos, así como la reducción de la resistencia interna del sensor, resulta poco

eficiente debido a la pérdida constante de electrones y el bajo rendimiento de la señal. Además las

temperaturas elevadas causan una falla adicional en la resistencia interna y en la sensibilidad de la

medición. El mayor efecto del efecto piezoeléctrico es que cuando aumenta significativamente la

presión y la temperatura, la sensibilidad se reduce debido a un montaje gemelo (twin-formation).

Principio Sensibilidad de la Tensión [V/µ*] Umbral [µ*] Razón umbral- periodo

Piezoelectrico 5.0 0.00001 100,000,000

Piezoresistivo 0.0001 0.0001 2,500,000

Inductividad 0.001 0.0005 2,000,000

Capacitividad 0.005 0.0001 750,000

Efecto piezoresistivo

La piezorresistividad es la propiedad de algunos materiales conductores y

semiconductores, cuya resistencia eléctrica cambia cuando se los somete a un esfuerzo o

estrés mecánico (tracción o compresión) que los deforma.

Dicho cambio es debido a la variación de la distancia interatómica (en el caso de los

metales) y a la variación de la concentración de portadores (en el caso de los

semiconductores).

La resistencia eléctrica de los materiales piezorresistivos depende de la temperatura

(especialmente en el caso de los semiconductores). En contraste con el efecto

piezoeléctrico, la piezorresistividad sólo causa un cambio de resistencia y no produce

potencial eléctrico.

Motores de CA

Un motor eléctrico de CA opera mediante la aplicación de corriente alterna (CA), la cual

alimenta al motor. Los motores eléctricos de CA se componen de varias partes, pero las

partes principales son el estator y el rotor.

El estator del motor eléctrico de CA tiene bobinas que se suministran con la

corriente alterna y producen un campo magnético giratorio.

El rotor del motor eléctrico de CA gira dentro de las bobinas, y está unido a un eje

de salida que produce una torción por el campo magnetico giratorio.

Hay dos tipos diferentes de motores eléctricos de CA y cada uno de ellos utiliza un tipo

diferente de rotor.

1. El primero se llama motor de inducción (también conocido como motor asíncrono).

Un motor de inducción utiliza un campo magnético en el rotor que crea una

corriente inducida.

2. El segundo se llama motor síncrono y gira precisamente en la frecuencia de

alimentación o en un sub-múltiplo de la frecuencia de suministro. Un motor

síncrono es capaz de operar con una frecuencia de alimentación de precisión, ya que

no responde en la inducción. El campo magnético de un motor síncrono es generado

por la corriente suministrada a través de los anillos de deslizamiento o un imán

permanente. Los motores síncronos corren más rapido que los motores de inducción

ya que la velocidad se reduce por el deslizamiento del motor asíncrono.

Motores de CD

Los motores eléctricos de CD son máquinas de conmutación que se alimentan de la energía

de la corriente directa (CD). Los motores eléctricos de corriente directa tienen un voltaje

inducido giratorio devanado de armadura, y un marco del campo inducido no giratorio

devanado que es un campo estático, o un iman permanente. Los motores eléctricos de CD

utilizan diferentes conexiones, y un devanado inducido para producir diferentes velocidades

y la regulación de la torsión.

A diferencia de los motores eléctricos de CA, la velocidad del motor eléctrico de corriente

directa puede ser controlada dentro de la bobina, mediante el cambio de la tensión aplicada

a la armadura del motor, o mediante el ajuste de la corriente del marco del campo.

La mayoría de los motores eléctricos de CD hoy se fabrican para ser controlados con

variadores de corriente directa industriales. Los motores eléctricos de CD todavía se

utilizan en muchas aplicaciones en todo el mundo, tales como las máquinas de producción

de papel, y las máquinas laminadoras de acero.

Conclusión

Los motores de corriente directa se ven generalmente en aplicaciones en las que la

velocidad del motor debe ser controlada externamente.

Los motores de corriente alterna funcionan mejor en aplicaciones que requieren el

rendimiento de la potencia durante largos períodos de tiempo.

Todos los motores de CD son monofásicos, y los motores de CA pueden ser monofásicos o

trifásicos.

En algunas aplicaciones de hoy en día, los motores eléctricos de CD se sustituyen mediante

la combinación de un motor eléctrico de corrienet alterna con un controlador electrónico de

velocidad, conocidos como unidades de frecuencia variable, ya que es una solución más

económica.

BOMBAS

Siempre que tratemos temas como procesos químicos, y de cualquier circulación de fluidos

estamos, de alguna manera entrando en el tema de bombas.

El funcionamiento en si de la bomba será el de un convertidor de energía, o sea,

transformara la energía mecánica en energía cinética, generando presión y velocidad en el

fluido.

Existen muchos tipos de bombas para diferentes aplicaciones.

Los factores más importantes que permiten escoger un sistema de bombeo adecuado son:

presión última, presión de proceso, velocidad de bombeo, tipo de gases a bombear (la

eficiencia de cada bomba varía según el tipo de gas).

Las bombas se clasifican en tres tipos principales:

1. De émbolo alternativo

2. De émbolo rotativo

3. Rotodinámicas

Los dos primeros operan sobre el principio de desplazamiento positivo y el tercer tipo debe

su nombre a un elemento rotativo, llamado rodete, que comunica velocidad al líquido y

genera presión, estas son de desplazamiento no positivo.

Se dice que una bomba es de desplazamiento positivo, cuando su órgano propulsor contiene

elementos móviles de modo tal que por cada revolución se genera de manera positiva un

volumen dado o cilindrada, independientemente de la contrapresión a la salida. En este tipo

de bombas la energía mecánica recibida se transforma directamente en energía de presión

que se transmite hidrostáticamente en el sistema hidráulico.

En las bombas de desplazamiento positivo siempre debe permanecer la descarga abierta,

pues a medida que la misma se obstruya, aumenta la presión en el circuito hasta alcanzar

valores que pueden ocasionar la rotura de la bomba; por tal causal siempre se debe colocar

inmediatamente a la salida de la bomba una válvula de alivio o de seguridad. con una

descarga a tanque y con registro de presión.

Se dice que una bomba es de desplazamiento No positivo cuando su órgano propulsar no

contiene elementos móviles; es decir, que es de una sola pieza, o de varias ensambladas en

una sola.

A este caso pertenecen las bombas centrífugas, cuyo elemento propulsor es el rodete

giratorio. En este tipo de bombas, se transforma la energía mecánica recibida en energía

hidro-cinética imprimiendo a las partículas cambios en la proyección de sus trayectorias y

en la dirección de sus velocidades. Es muy importante en este tipo de bombas que la

descarga de las mismas no tenga contrapresión pues si la hubiera, dado que la misma regula

la descarga , en el caso límite que la descarga de la bomba estuviera totalmente cerrada, la

misma seguiría en movimiento no generando caudal alguno trabajando no obstante a plena

carga con el máximo consumo de fuerza matriz.

Por las características señaladas, en los sistemas hidráulicos de transmisión hidrostática de

potencia hidráulica nunca se emplean bombas de desplazamiento NO positivo.