ELEMENTOS DE DETECCIÓN Elementos de detección sensores resistivos sensores capacitivos sensores inductivos sensores electromagnéticos sensores termoeléctricos sensores elásticos sensores piezoeléctricos sensores piezoresistivos sensores electroquímicos Sensores de efecto Hall Un sensor Un sensor es un dispositivo capaz de detectar magnitudes físicas o químicas, llamadas variables de instrumentación, y transformarlas en variables eléctricas. Las variables de instrumentación pueden ser por ejemplo: temperatura, intensidad lumínica, distancia, aceleración, inclinación, desplazamiento, presión, fuerza, torsión, humedad, movimiento, pH, etc. Una magnitud eléctrica puede ser una resistencia eléctrica (como en una RTD), una capacidad eléctrica (como en un sensor de humedad), una tensión eléctrica (como en un termopar), una corriente eléctrica (como en un fototransistor), etc Un sensor se diferencia de un transductor en que el sensor está siempre en contacto con la variable de instrumentación con lo que puede decirse también que es un dispositivo que aprovecha una de sus propiedades con el fin de adaptar la señal que mide para que la pueda interpretar otro dispositivo SENSORES RESISTIVOS Los sensores basados en la variación de la resistencia eléctrica de un dispositivo son probablemente los más abundantes. Esto se debe a que son muchas las magnitudes físicas que afectan al valor de la resistencia eléctrica de un material. En consecuencia, ofrecen una solución válida para numerosos problemas de medición. 1. POTENCIÓMETRO Un potenciómetro es un resistor con un contacto móvil deslizante o giratorio que se desplaza por una resistencia fija, la cual puede ser de carbón o de hilo enrollado. La resistencia entre dicho contacto móvil y una de las terminales fijas es: 𝑅= 𝜌 𝜌 𝑙 1−𝛼 = 1−𝑥 𝐴 𝐴 donde “x” es la distancia recorrida por el cursor, “ρ” es la resistividad del material, “l” su longitud y “A” su sección transversal. Desde el punto de vista dinámico, es en principio un sistema de orden cero, aunque puede llegar a formar parte de un sensor que no sea de orden cero, como por ejemplo, un sistema masa resorte. Este tipo de dispositivo es comúnmente utilizado para medir desplazamientos lineales y angulares. 𝐸𝑇ℎ = 𝑉𝑠 𝑥 = 𝑉𝑠 𝑑 𝑑 𝑇 𝐸𝑇ℎ = 𝑉𝑠 𝑥 = 𝑉𝑠 𝜃 𝜃𝑇 Un potenciómetro bobinado consiste en n vueltas discretas de alambre. Una familia típica de este tipo de potenciómetros consta de una no linealidad de ±0.2% y una resolución de 0.008% con valores de resistencia de 40 Ω/mm. Por el contrario, en potenciómetros de plástico conductivo, se tiene una no linealidad de ±0.04% y valores de resistencia desde 500Ω hasta 80kΩ. Para determinar la posición de un punto en un plano, por ejemplo en palancas de mando, hay modelos dobles en los que el eje de entrada permite el movimiento en los cuatro cuadrantes. El movimiento en la dirección “x” es controlado por el potenciómetro Rx, y el movimiento en la dirección “y” se controla por el potenciómetro Ry. Si ambos potenciómetros se alimentan con la misma tensión, se obtienen dos tensiones de salida: 𝑉𝑥 = 𝐸 1 − 2𝛼 𝑉𝑦 = 𝐸 1 − 2𝛽 siendo 0 ≤ 𝛼 y 𝛽 ≤ 1. El centro de la superficie, α=β=0.5, y las tensiones obtenidas son 0,0. 2. RTD O DETECTOR DE TEMPERATURA RESISTIVO (RESISTIVE TEMPERATURE DETECTOR) La resistencia de muchos metales incrementa en una manera razonablemente lineal con la temperatura en el rango de 100 a +800°C. La relación general entre la resistencia 𝑅𝑇 (Ω) de un elemento metálico y la temperatura 𝑇(°𝐶) está dada por la serie de potencias: 𝑅𝑇 = 𝑅0 1 + 𝛼𝑇 + 𝛽𝑇 2 + 𝛾𝑇 3 + ⋯ donde 𝑅0 es la resistencia a 𝑇0 = 0°𝐶, α, β, γ son coeficientes de temperatura y 𝑇 el incremento de temperatura respecto a 𝑇0 . Variación de la relación 𝑅𝑇 𝑅0 con la temperatura para los metales Platino, Cobre y Níquel. Los RTDs más utilizados son las resistencias de Platino puro debido a su fácil fabricación, linealidad, precisión, estabilidad y repetividad. Estos son conocidos como PT-100, ya que su valor de resistencia a 0°C es de 100 Ω. MATERIAL SENSOR Platino Níquel Cobre CARACTERISTICAS Precisión + estabilidad Rango de medida [-200° a +800°C] Material óptimo para RTDs Coste elevado f.s.d. entre 0°C y 200°Cde +0.76% Rango de medida [-150°C a +300°C] Más barato que Pt Falta de linealidad Rango de medida [-200°C a +120°C] Barato Estable Aplicaciones Los RTDs son sensores de temperatura muy utilizados hoy en día en los controladores de temperatura de frío, en el automóvil (control de aire acondicionado), hornos, control de temperatura de depósito de agua caliente. Consideraciones • Se debe evitar las deformaciones mecánicas que provoquen cambios del valor de la resistencia. • No tener en cuenta la resistencia de los hilos de interconexión supone un error de medida. VENTAJAS Amplio margen de temperatura Elevada sensibilidad (mayor que la de termopares) Linealidad Alta repetividad y exactitud (Pt100) Bajo precio (Cu,Ni) Estabilidad (10 veces mayor que los termopares) Gran variedad de encapsulados DESVENTAJAS Menos durables que los termopares ante vibraciones, golpes, etc. Autocalentamiento el cual introduce un error de medición. Cambios de las dimensiones del material con la temperatura provocando cambios no lineales de la resistencia. PROVEEDORES • • • • • • OMEGA KROHNE Watlow KIMOMaumer Process Instrumentation Marsh Bellofram FAFNIR 3. TERMISTORES Son resistores variables con la temperatura, pero a diferencia de los RTD, estos no están basados en conductores sino es semiconductores. Dependiendo de su coeficiente de temperatura, se tiene dos clases de termistores: • NTC (Negative Temperature Coefficient) • PTC (Positive Temperature Coefficient) El fundamento de los termistores está en la dependencia de la resistencia de los semiconductores con la temperatura, creando una variación en la concentración de portadores. • • Para los termistores NTC, al aumentar la temperatura lo hace también el número de portadores reduciéndose la resistencia, de ahí que presente coeficiente de temperatura negativo. Los termistores PTC, en el caso de un semiconductor con un dopado muy intenso, éste adquiere propiedades metálicas y por lo tanto un coeficiente de temperatura positivo en un margen de temperatura limitado. Las características típicas resistenciatemperatura de un termistor pueden ser descritas por la relación: 𝑅𝜃 = 𝑅𝜃1 𝑒 𝛽 1 1 − 𝜃 𝜃1 Donde: 𝑅𝜃1 (Ω) es la resistencia a la temperatura de referencia 𝜃1 (𝐾) Usualmente 𝜃1 = 25 °𝐶 = 298 𝐾 β es la denominada temperatura característica del material, la cual tiene valores de entre 2000 K y 5000 K. Para las PTC, existen dos tipos de comportamiento según la composición y el dopado. 1. Las PTC de tipo cerámico presentan un cambio brusco de resistencia cuando se alcanza la temperatura de Curie, y comúnmente a éstas se les denomina posistores. Su coeficiente de temperatura es positivo solo en un margen concreto de temperatura, fuera de él es negativo o casi nulo. 2. Las PTC basadas en silicio dopado presentan una variación más suave con la temperatura, las cuales se denominan como tempsistores o silistores. Características • • • • Los termistores se componen de una mezcla sintética de metales, como manganeso, níquel, cobalto, cobre, hierro y uranio. Según su utilización, pueden encontrarse en el mercado termistores con valores entre 100Ω y 30kΩ. En algunos casos, la resistencia de un termistor a temperatura ambiente puede cambiar hasta un 6% por cada 1°C de variación en la temperatura. Por ejemplo, la resistencia de un termistor típico varía 156Ω de 0 °C a 1 °C, mientras la del platino varía tan sólo 0.385 Ω. El rango de temperatura de uso más difundido es entre -50 °C y 200 °C, a pesar de haber algunos que alcanzan los 450 °C. Aplicaciones Las aplicaciones de los termistores se pueden dividir entre las que están basadas en un calentamiento externo del termistor y las que se basan en calentarlo mediante el propio circuito de medida, es decir que su resistencia depende de las corrientes que lo atraviesan. 1) 2) Basadas en el calentamiento externo del termistor -Todas las relativas a la medida, control y compensación. Basadas en el autocalentamiento del termistor -Medidas de caudal -Medidas de nivel -Medida de vacío (método Pirani) -Análisis de la compensación de gases -Control automático de volumen y potencia -Generación de retardos -Supresión de transitorios VENTAJAS Elevada sensibilidad la cual permite obtener alta resolución en la medida de temperatura Masa muy pequeña, por lo cual su velocidad de respuesta es alta Gran variedad de aplicaciones en régimen de autocalentamiento Coste muy bajo DESVENTAJAS No lineal Frágil Necesita fuente de alimentación Autocalentable PROVEEDORES • • • • • Watlow GE Measurament & Sensing Fluke Calibration United Electric Controls Measurament Specialities 4. GALGAS EXTENSIOMÉTRICAS (STRAIN GAGE) Una galga extensiométrica es un sensor de metal o material semiconductor cuya resistencia varía bajo una deformación. Podemos derivar la relación entre los cambios de la resistencia y la deformación considerando los factores que influyen en la resistencia del elemento. La resistencia de un elemento con longitud 𝑙, sección transversal 𝐴 y resistividad ρ, está dada por: 𝑅= 𝜌𝑙 𝐴 El efecto del esfuerzo aplicado produce una deformación (strain) en el cuerpo que se define como: 𝐶𝑎𝑚𝑏𝑖𝑜 𝑒𝑛 𝑙𝑎 𝑙𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝐿𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑜𝑟𝑖𝑔𝑖𝑛𝑎𝑙 sin 𝑒𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝜀= 𝛥𝑙 𝑙 Este parámetro ε puede ser tanto positivo (tracción) como negativo (compresión). Un parámetro importante de las galgas extensiométricas es la sensibilidad al esfuerzo, expresado cuantitativamente como el factor de galga (G) y que se define como la relación entre la variación fraccional de la resistencia y la deformación. 𝐺= 𝛥𝑅 𝑅0 𝜀 Bondedmetallicstraingage Esta straingage consiste en un cable muy fino o papel aluminio dispuesto en forma de rejilla. Éstarejilla esta pegada a un fino respaldo llamado carrier, el cual está sujeto directamente a la pieza bajo medida. Características: • Factor de galga: 2.0 a 2.2 • Resistencia sin deformación: 120 ± 1Ω • Linealidad: ±0.3% • Deformaciónmáxima de tracción: +2𝑥10−2 • Deformaciónmáxima de compresión: −1𝑥10−2 • Máxima temperatura de operación: 150 °C Galgas semiconductoras EL material más común es el silicio dopado con pequeñas cantidades material tipo-p o tipo-n. Factores de galga entre +100 y +175 son comunes para silicio tipo-p; mientras que valores entre -100 y -140 es común para silicio tipo-n. Las galgas semiconductoras tiene la ventaja de ser más sensibles a una deformación que las galgas de metal, pero tienen el inconveniente de ser más sensibles a los cambios de temperatura. PROVEEDORES • • • • • KISTER BCM SENSOR TECHNOLOGY CELMI SCAIME OMEGA SENSORES CAPACITIVOS Un simple capacitor consiste en dos placas paralelas de metal separadas por un material dieléctrico, donde su capacitancia esta dada por: 𝐶= Donde: • 𝜀0 es la permitividad del vacío • ε es la permitividad relativa o constante dieléctrica • A es el área de superposición de las placas • d es la separación entre las placas ε0 ε𝐴 𝑑 De la ecuación anterior observamos que podemos cambiar el valor de 𝐶 variando cualquiera de los parámetros 𝑑, 𝐴 o ε. • Si el desplazamiento 𝑥 hace que la separación entre placas aumenta a 𝑑 + 𝑥, la capacitancia del sensor es: 𝐶= • ε0 ε𝐴 𝑑+𝑥 Para la variable área, el desplazamiento 𝑥 causa que el área decrezca en Δ𝐴 = 𝑤𝑥, donde 𝑤 es la anchura de las placas: 𝐶= ε0 ε (𝐴 − 𝑤𝑥) 𝑑+𝑥 • Para la variable dieléctrica, el desplazamiento 𝑥 cambia la cantidad de material dieléctrico a 𝜀2 𝜀2 > 𝜀1 insertado entre las placas. La capacitancia total del sensor es la suma de las dos capacitancias, una con área 𝐴1 y constante dieléctrica 𝜀1 , y otra con área 𝐴2 y constante dieléctrica 𝜀2 : ε0 𝜀1 𝐴1 ε0 𝜀2 𝐴2 + 𝑑 𝑑 Dado que 𝐴1 = 𝑤𝑥, 𝐴2 = 𝑤(𝑙 − 𝑥), donde 𝑤 es el ancho de las placas: 𝐶= 𝐶= ε0 𝑤 𝜀2 𝑙 − 𝜀2 − 𝜀1 𝑥 𝑑 SENSOR DE PRESIÓN CAPACITIVA Una placa es un disco de metal fijo, el otro es un diafragma circular plano flexible sujeta alrededor de su circunferencia; el material dieléctrico es el aire (ε≈1). Este diafragma es un elemento elástico que se dobla en una curva por la presión aplicada. La deflexión 𝑦 en cualquier radio 𝑟 está dada por: 3 1 − 𝑣2 𝑦= 16 𝐸𝑡 2 Donde: • a=radio del diafragma • t=espesor del diafragma • E= Modulo de Youn´g • v=Relación de Poisson El aumento resultante de la capacitancia es: ∆𝐶 1 − 𝑣 2 𝑎4 = P 𝐶 16𝐸𝑑𝑡 3 • • d=separación inicial entre las placas C=𝜀0 𝜋 𝑎2 𝑑 (Capacitancia a cero presión) 𝑎2 −𝑟 2 2 𝑃 SENSOR DE DESPLAZAMIENTO CAPACITIVO DIFERENCIAL O PUSH-PULL El sensor de desplazamiento tiene el inconveniente de ser no lineal. Este problema se supera mediante el uso de el sensor de desplazamiento push-pull. Este consiste en una placa M que se mueve entre dos placas fijas F1 y F2, si 𝑥 es el desplazamiento de 𝑀 desde la lineal central 𝐴𝐵, entonces las capacitancias 𝐶1 y 𝐶2 formadas por 𝑀𝐹1 y 𝑀𝐹2 son respectivamente: 𝐶1 = 𝜀𝜀0 𝐴 𝑑+𝑥 𝐶2 = 𝜀𝜀0 𝐴 𝑑−𝑥 SENSORES CAPACITIVOS DE PROXIMIDAD Estos sensores están especialmente diseñados para lograr detectar materiales aislantes tales como plástico, papel, madera, etc., así como también metales. Estos constan de una sonda que se encuentra situada en la cara posterior en donde se encuentran colocados dos electrodos concéntricos de metal de un capacitor. Al aplicar al sensor una corriente se produce un campo electrostático entre los electrodos, por más mínima que sea esta corriente. Cuando un objeto se aproxima a la superficie de sensado y entra al campo electrostático, se cambia la capacitancia de un circuito oscilador, y las oscilaciones del mismo aumentan El circuito disparador lee la amplitud de las oscilaciones, y cuando se alcanza un nivel especifico la etapa de salida del sensor cambia. Conforme el objetivo se aleja del sensor la amplitud del oscilador decrece, conmutando al sensor a su estado original. Los sensores capacitivos dependen de la constante dieléctrica del objetivo. Mientras más grande es la constante dieléctrica de un material es más fácil de detectar. La grafica muestra la relación de las constantes dieléctricas de un objetivo y la habilidad del sensor de detectar el material basado en la distancia nominal de sensado (Sr). VENTAJAS DESVENTAJAS • Detectan sin necesidad de contacto físico • Detectan todo tipo de materiales • Pueden ver a través de algunos materiales • Amplia gama de configuraciones de instalación • Vida útil bastante larga • No son selectivos en cuanto a los objetivos que deben de detectar • Distancia de detección corta • Depende de la masa a detectar • Extremadamente sensibles a factores ambientales Aplicaciones. • Control de nivel de llenado de sólidos en un recipiente • Detección de fluidos en contenedores tal como leche en botes de cartón • Detección a través de barreras PROVEEDORES • • • • • • PRIISA Balluff de México Newark element14 Pepperl+Fuchs ERCO México laconsa SENSORES INDUCTIVOS BOBINA ELECTROMAGNÉTICA Y OBJETIVO METÁLICO Los sensores de proximidad inductivos incorporan una bobina electromagnética que usan para detectar la presencia de un objeto metálico conductor. Este tipo de sensor ignora objetos no metálicos. COMPONENTES DE UN SENSOR INDUCTIVO PRINCIPIO DE OPERACIÓN Cuando un objetivo metálico entra al campo, circulan las corrientes de eddy del objetivo. Esto aumento la carga del sensor y disminuye la amplitud del campo electromagnético. El cicuto de disparo monitorea la amplitud del oscilador y a un nivel predeterminado, conmuta el estado de la salida del sensor. Conforme el objeto se aleja la amplitud del oscilador aumenta y a cierto nivel conmuta la salida de nuevo a su condición normal. BLINDAJE Los sensores de proximidad tienen bobinas enrolladas en núcleo de ferrita. Estas pueden ser blindadas o no. Los sensores no blindados generalmente tienen una mayor distancia de sensado que los sensores blindados. BLINDADOS El núcleo de ferrita concentra el campo radidado en la dirección del uso. Se coloca alrededor del núcleo un anillo metálico para restringir la radiación lateral del campo. Pueden ser montados al raz de metal, pero se recomienda dejar un espacio libre de metal abajo y alrededor de la superficie de sensado. SENSORES DE PROXIMIDAD INDUCTIVOS NO BLINDADOS No tienen el anillo de metal rodeando el núcleo para restringir la radiación lateral del campo. Pueden ser montados al ras de un metal. Deben tener un área libre de metal alrededor de la superficie de sensado. OBJETIVO ESTÁNDAR PARA SENSORES INDUCTIVOS Es una placa con 1mm de superficie plana de acero dúctil. La longitud de los lados es igual al diámetro de la superficie de sensado o 3 veces el rango de operación especificada (el cual es mayor). GROSOR DEL OBJETIVO La distancia de sensado es constante para el objetivo estándar. Para objetivos no ferrosos como bronce, alumnio y cobre ocurre el “efecto epitelial” que da como resultado que la distancia de sensado disminuya si el grosor del objetivo aumento. TÉCNICA PARA OBTENER LA RESPUESTA DE UN SENSOR INDUCTIVO A DIFERENTES MATERIALES MATERIAL DEL OBJETIVO Cuando el material a ser sensado no es de acero dúctil, es necesaro aplicar un factor de corrección. Material Factor de corrección Blindado No blindado Acero dúctil, carbón 1 1 Lámina de aluminio 0.90 1 Acero inoxidable serie 300 0.70 0.08 Bronce 0.40 0.50 Aluminio 0.35 0.45 Cobre 0.30 0.40 CARACTERÍSTICAS DE RESPUESTA Los detectores de proximidad responden a un objeto solo cuando están dentro de un área definida enfrente de la cara de sensado del interruptor. El punto en el cual el interruptor de proximidad reconoce un objetivo entrante es el punto de operación. El punto en el que un objetivo saliendo hace que el dispositivo conmute de nuevo a su estado normal se le conoce como punto de desarme. El área entre estos dos puntos es llamado la zona histéresis. CURVA DE RESPUESTA El tamaño y forma de una curva de respuesta depende del interruptor de proximidad específico. La curva mostrada representa n tipo de interruptor de proximidad. En este ejemplo, un objetivo a 0.45 mm aproximadamente del sensor hará que el sensor opere cuando el objetivo cubra el 25% de la cara del sensor. A 0.8 mm del sensor, el objetivo debe cubrir la cara completa del sensor. TÉCNICA PARA MEDIR LA FRECUENCIA MÁXIMA DE CONMUTACIÓN DE UN SENSOR DE PROXIMIDAD ALGUNOS MODELOS DE SENSORES INDUCTIVOS Los sensores inductivos están disponibles en varios tamaños y configuraciones para apegarse a una gran variedad de requerimientos. EJEMPLOS DE APLICACIÓN DE LOS SENSORES INDUCTIVOS EJEMPLO DE APLICACIÓN DE LOS SENSORES INDUCTIVOS MODELOS DE SENSORES DE CORRIENTE DIRECTA Aunque hay en el mercado algunos dispositivos de 2 hilos de corriente directa (DC). Los modelos de sensores inductivos típicamente son de 3 ó 4 hilos los cuales requieren una fuente de poder separada. Algunos modelos usan de conmutador transistores NPN y otros usan transistores PNP OPERACIÓN COMO SUMINISTRO DE CORRIENTE (SOURCING) Los sensores de proximidad de DC de 3 hilos pueden ser dispositivos ya sea de suministro (sourcing) usan transistores PNP para conmutar la corriente de carga y los sensores de tipo drenado de corriente (sinking) usan transistores NPN. El tipo de transistor usado es un factor importante para determinar la compatibilidad del sensor con la entrada del sistema de control (por ejemplo un PLC). En la ilustración se muestra la etapa de salida de un sensor de tipo suministro de corriente. Cuando el transistor PNP se satura, fluye corriente del transistor hacia la carga. carga OPERACIÓN DE DRENADO DE CORRIENTE (SINKING) En un sensor de tipo drenado de corriente, se usa un transistor NPN. Cuando el transistor se satura, fluye corriente de la carga hacia el transistor. A esto se refiere cuando se diice que un sensor tiene una salida de drenado de corriente ya que la dirección de la corriente es hacia el sensor. OPERACIÓN NORMALMENTE ABIERTO Y NORMALMENTE CERRADO Las salidas pueden ser Normalmente abiertas o normalmente cerradas dependiendo de la condición del transistor cuando el objetivo no está ausente. Si, por ejemplo, el transistor de salida esta OFF cuando el objetivo está ausente, entonces es un dispositivo Normalmente abierto. Si el transistor de salida está ON cuando el objetivo esta ausente éste es un dispositivo normalmente cerrado. Los transistores también pueden ser dispositivos complementarios. Se dice que un sensor es de salida complementaria cuando tiene tanto operación como Normalmente abierto y normalmente cerrado en el mismo sensor. SÍMBOLOS ESTÁNDAR USADOS PARA LOS SENSORES DE 3 HILOS SÍMBOLOS ESTÁNDAR USADOS PARA LOS SENSORES DE 2 HILOS 8.4SENSORES ELECTROMAGNÉTICOS Estos elementos se utilizan para la medición de la velocidad lineal y angular, se basan en la ley de inducción electromagnética de Faraday. En este capitulo aremos mención solo el tacómetro de reluctancia variable . Un flujo magnético ∅ variable en el tiempo si atraviesa una bobina de N espiras, nos va a generar una tensión. Para hacer que nuestro ∅ varié en el tiempo tenemos varias formas de lograrlo: -Generando mediante un ∅ mediante una corriente variante alterna o variando la posición de la bobina con respecto al flujo magnético constante que lo atraviesa. Tacogenerador de reluctancia variable Esta construido por una rueda dentada de material ferromagnético y un imán permanente sobre el que se coloca una bobina. La rueda se mueve en estrecha proximidad a la pieza polar, provocando que el flujo vinculado por l a bobina cambie con el tiempo, induciendo una fem en la bobina. Para calcular la fem se debe tener encuentra que el circuito esta formado por Figura 8.4.1 un imán permanente, una rueda y el aire. Cuando un diente está cerca de la pieza polar la reluctancia es mínima, a medida que va girando la rueda la reluctancia se va haciendo máxima. Máxima reluctancia Figura 8.4.2 Mínima reluctancia Se observa el comportamiento del movimiento de la rueda con respecto al flujo magnético inducido en la bobina. A medida que la rueda gira con una frecuencia 𝜔 vamos teniendo variación en la reluctancia, en la Figura 8.4.3 se observa como el diente esta muy cercano al imán, eso nos va generar una mínima reluctancia que esta marcada en la Figura 8.4.2 con una raya azul, a medida que va desplazando la rueda el diente se empieza alejar del imán (nótese que el cambio de la reluctancia no cambia instantáneamente). También se observa en la figura 8.4.3 que cuando la reluctancia e mínima el flujo magnético es máximo, y viceversa. El ángulo que se genera entre dos dientes esta dado por θ= 𝜔t 𝕽 es la reluctancia: Separación entre la rueda y el íman. De la ecuación [8.26] el flujo en el circuito viene dada por ∅ = 𝒎. 𝒎. 𝒇./𝕽, y el total de flujo ligada a N en una bobina de n vuelta es: N=n∅ =(n* 𝒎. 𝒎. 𝒇. )/𝕽 [8.39] Donde m.m.f. es una constante y depende de la intensidad del campo magnético que genera el imán permanente. A la variación del flujo máximo y el flujo mínimo se le puede asociar siguiente ecuación que es una aproximación. . a es el flujo medio. b es la amplitud de la variación de flujo. m es el número de dientes Donde La f.e.m. inducida viene dada por: (Velocidad angular de la rueda) Así E es la señal de salida para un tacogenerador de reluctancia variable donde: 𝒎𝝎𝒓 es la frecuencia, donde amplitud y frecuencia son 𝒃𝒎𝝎𝒓 𝒆𝒔 𝒍𝒂 𝒂𝒑𝒎𝒍𝒊𝒕𝒖𝒅 y 𝒇= 𝟐𝝅 proporcionales a la rueda. Aplicación: Un tacogenerador de reluctancia variable está incorporado en el medidor de flujo de la turbina para dar una medición precisa de la tasa de flujo de volumen o volumen total de fluido. Referencias http://www.instronics.com/sensoronix_variable_reluctance_speed_sensor.html http://libroweb.alfaomega.com.mx/catalogo/automatasprogramables/libreacceso/libreacc eso/reflector/ovas_statics/sensores/temas/SA_TEMA_08-ELECTROMAGNETISMO.pdf Libro http://www.uam.es/docencia/labvfmat/labvfmat/Anexo/termopar2.htm http://www.uv.es/ramirez/Docencia/LO/Notas_termopares.pdf 8.5 Sensores termoeléctricos(Termopar) Thomas J. Seebeck quien descubrió, en 1822, que el efecto Seebeck se manifiesta cuando dos cables de materiales diferentes se unen en sus dos extremos y uno de ellos es calentado. La respuesta a este calentamiento consiste en la aparición de una corriente continua en el circuito termoeléctrico así formado (figura 8.5.1). unión, es decir: Figura 8.5.1 Es Si el circuito anterior se corta en su parte central el resultado es un termopar. En este, el voltaje de circuito abierto que aparece en los terminales cortados (tensión de Seebeck) es una función de la temperatura de la unión y del tipo de metales unidos. (figura 8.5.2). Figura. 8.5.2.- Tensión de Seebeck. La unión de diferentes metales manifiestan este efecto. Este potencial de unión depende de los metales A y B, la temperatura T ° C en la unión viene dada por una serie de potencias de la forma: Los valores de las constantes𝒂 , 𝟏 𝒂𝟐 , etc, dependen de los metales A y B. Un termopar es un circuito cerrado que consta de dos uniones (Figura 8.5.3), a diferentes temperaturas 𝑻𝟏 y 𝑻𝟐 ° C. Si coloca un voltímetro de alta impedancia en el circuito, de manera que el flujo de corriente es insignificante, a continuación, la fem medida es una aproximación de la diferencia de los potenciales de la unión, es decir: Así, la f.e.m. medida depende de las temperaturas 𝑻𝟏 , 𝑻𝟐 de ambas uniones. Figura 8.5.3 𝑻𝟏 será la temperatura a medir, es decir, la temperatura de la unión y 𝑻𝟐 será la temperatura de la referencia Ley 1 establece que el f.e.m. de un termopar dado, sólo depende de las temperaturas de las uniones y es independiente de las temperaturas de los cables de conexión de las uniones. Esto es importante en las instalaciones industriales, donde los cables de conexión de medida y de referencia uniones pueden estar expuestos a grandes cambios en la temperatura ambiente. Ley 2 establece que si un tercer metal C se introduce en A (o B), entonces, siempre que las dos nuevas uniones sean a la misma temperatura (𝑻𝟑 ), La f.e.m. no tiene cambios. Esto significa que un voltímetro se puede introducir en el circuito sin afectar a la tensión producida. Si se introduce un tercer metal C entre A y B en cada cruce, tenemos la ley 3, la cual establece que, a condición de los dos nuevos cruces de CA y CB son a la vez a la misma temperatura (𝑻𝟏 o 𝑻𝟐 ), Entonces la f.e.m. es sin cambios. Esto significa que en la unión de medición, los cables A y B se pueden soldar o soldar junto con un tercer metal sin afectar la fem. Un dispositivo de medición de tensión se puede introducir en la unión referencia de nuevo sin afectar la medición. Ley 4 (ley de metales intermedios) se puede utilizar, por ejemplo, para deducir la fem de cobre y de hierro (AB) Dada la fem para los valores cobr(AC) y de hierro t (CB). La quinta ley (ley de temperaturas intermedias) se utiliza en la interpretación de la f.e.m. medida. Para un par de metales tenemos: donde 𝑻𝟑 es la temperatura intermedia. Si sustituimos 𝑻𝟐 = 𝟎°𝑪 Supongamos que queremos medir la temperatura 𝑻𝟏 ° C de un líquido dentro de un recipiente con termopar tipo k(CHROMEL – ALUMEL) Tipos de termopares COBRE – CONSTANTANO (TIPO T) HIERRO – CONSTANTANO (TIPO J ) CHROMEL – ALUMEL (TIPO K) PLATINO RODIO – PLATINO (TIPO R) PLATINO RODIO – PLATINO ( TIPO S ) MOLIBDENO – RENIO TUNSTENO – RENIO IRIDIO – IRIDIO RODIO. TUNGSTENO – TUNGSTENO RENIO Supongamos que queremos medir la temperatura 𝑇1 ° C de un líquido dentro de un recipiente con termopar tipo k(CHROMEL – ALUMEL) El empalme de medida se inserta en donde se vaya a realizar la medición y la unión de referencia está fuera del recipiente, donde la temperatura medida es de 20 ° C, es decir 𝑻𝟑 = 𝟐𝟎° 𝐂. El f.e.m. medida es de 5.3mV utilizando un voltímetro insertado en la unión de referencia, es decir, 𝑬𝑻𝟏 ,𝑻𝟑 = 𝑬𝑻𝟑 ,𝟐𝟎 = 𝟓. 𝟑𝒎𝑽. El valor de 𝑬𝑻𝟑 ,𝟎 = 𝑬𝟐𝟎,𝟎 se encontró que es de 0.8mV con el uso de tablas de los termopar. Sustituimos valores en la ecuación [8.47], tenemos 𝑬𝑻𝟏 ,𝟎 = 𝟓. 𝟑 + 𝟎. 𝟖 = 𝟔. 𝟏𝐦𝐕 . 𝑻𝟏 , se encuentra que es 149 ° C lo cual corresponde a 6.1mV. La importancia de una correcta instalación de los termopares se ilustra en el problema de la Figura 8.17. Aquí queremos medir la temperatura del vapor a alta presión en una tubería, que tiene una temperatura de 200 ° C, con un termopar tipo k para el cual: 𝑬𝟐𝟎𝟎,𝟎 = 𝟖. 𝟏𝒎𝑽 Figura 8.5.4 Instalación (a) La temperatura de referencia 𝑻𝟑 puede variar mucho de temperaturas bajo cero en el tiempo frío, posiblemente, + 50 ° C si se produce una fuga de vapor; la f.e.m. medido es, por tanto, carece de sentido. Instalación (b) con el medidor situado en la sala de control y conectado al termopar con conductores de cobre es igualmente inútil - la unión de referencia todavía se encuentra fuera de la tubería. En la instalación (c), el termopar se extiende a la sala de control mediante extensión o compensación de los cables hechos de chromel y alumel. Instalación (d). El f.e.m. termopar es 𝑬𝑻𝟏 ,𝑻𝟐 para una temperatura de unión medido de 𝑻𝟏 ° 𝐂 y una temperatura de referencia de 𝑻𝟐 ° 𝐂(𝑻𝟐 ° 𝐂 alrededor de 20 ° C). Si introducimos una segunda fuente de fem de magnitud 𝑬𝑻𝟐 ,𝟎 el circuito en serie con 𝑬𝑻𝟏 ,𝑻𝟐 , entonces las medidas voltímetro 𝑬𝑻𝟏 ,𝑻𝟐 + 𝑬𝑻𝟐 ,𝟎 que es igual a 𝑬𝑻𝟏 ,𝟎 . Por lo tanto el voltímetro mide una f.e.m. relativa a una temperatura de referencia fijo aparente de 0 ° C, aunque la temperatura de referencia real está variando alrededor de una media de 20 ° C. La fem la producción de fuente 𝑬𝑻𝟐 ,𝟎 que se conoce como una referencia automática del circuito de compensación de unión (ARJCC). De la ecuación [8.45] tenemos pero desde 𝑻𝟐 es pequeño, podemos aproximar por 𝑬𝑻𝟐 ,𝟎 ≈ 𝒂𝟏 , 𝑻𝟐 Así que necesitamos un circuito que da una señal de salida proporcional a la temperatura de referencia de mili voltios 𝑻𝟐 . Esto se puede conseguir con un sensor de temperatura de resistencia de metal incorporado en un circuito de puente de desviación, con un gran valor de 𝑹𝟑 /𝑹𝟐 (Sección 9.1). La tensión de salida del puente debe ser igual a 𝑬𝑻𝟐 ,𝟎 , Por lo que el uso de la ecuación [9.15] que requerimos: Referencia Automática puente compensación de unión Por lo tanto cualquier cambio en 𝑻𝟐 que se hace que el f.e.m. el termopar se alterar y es detectado por el sensor resistivo de metal, produciendo un cambio de compensación en la tensión de salida del puente El transmisor se utiliza a menudo para convertir una fuerza electromotriz del termopar a una señal de corriente en un rango estándar, por ejemplo, 4 de 20mA. Al fin de encontrar una estimación precisa de 𝑻𝟏 desde 𝑬𝑻𝟏 ,𝟎 un inverso de la ecuación de la forma La tabla 8.2 puede ser utilizada para cuantificar la no linealidad: por ejemplo, un termopar v cobre constantán, utilizado entre 0 y 400 ° C, tiene una fem de 9288μV a 200 ° C en comparación con un valor de línea recta ideal de 10 436μV. Por lo tanto la no linealidad a 200 ° C es-1148μV o 5,5% de FSD Tolerancias típicas son del orden de ± 1%, es decir, alrededor de 10 veces mayor que para los termómetros de resistencia de platino. Este es un paquete completo, donde se llena el espacio entre los cables de termopar y caja de metal con material que es a la vez un buen conductor de calor y un aislante eléctrico. Tabla 8.2 resume el rango de medición, fem los valores, las tolerancias y las características de cuatro termopares en uso industrial común. Funcionamiento y aplicación. SENSORES ELÁSTICOS DEFINICIÓN DE PRESIÓN La presión es una fuerza por unidad de superficie y puede expresarse en unidades tales como pascal, bar, atmósferas, kilogramos por centímetro cuadrado y psi. (libras por pulgada cuadrada) TIPOS DE PRESIÓN Presión absoluta se mide con al cero absoluto de presión Presión atmosférica es la presión ejercida por la atmósfera terrestre medida mediante un barómetro Presión relativa es la determinada por un elemento que mide la diferencia entre la presión absoluta y la atmosférica del lugar donde se efectúa la medición Presión diferencial es la diferencia entre dos presiones Vacío es la diferencia de presiones entre la presión atmosférica existente y la presión absoluta, es decir, es la presión ,medida por debajo de la atmosférica FUNCIONAMIENTO Consisten de un material elástico como espuma o esponja de tipo conductiva, ubicada entre dos placas aislantes protectoras que tienen una doble funcionalidad, por un lado protegen la espuma y por otro sirve de soporte delos contactos eléctricos en forma de puntos que sobresalen de las placas. Cuando una fuerza actúa sobre la superficie protectora, la espuma conductora se deforma, cambiando su densidad en la región deformada, lo cual a su vez varía la resistencia medida entre las dos superficies protectoras. La variación de la resistencia presenta una curva no lineal excesiva, lo cual la hace difícil de procesar directamente, además las constantes deformaciones de la espuma, disminuyen considerablemente la vida útil del sensor. VENTAJAS Y DESVENTAJAS Su principal ventaja es su linealidad, también presenta una baja impedancia de salida. Su principal desventaja es su dependencia de la temperatura, lo que provoca que haya que diseñar circuitos electrónicos para compensar esa dependencia. Medidores Mecánicos TIPOS DE SENSORES DE PRESIÓN O ELÁSTICOS ELEMENTOS PRIMARIOS ELÁSTICOS QUE SE DEFORMAN POR LA PRESIÓN INTERNA DEL FLUIDO QUE CONTIENEN. EJEMPLOS : TUBO DE BOURDON, EL ELEMENTO EN ESPIRAL, EL HELICOIDAL, EL DIAFRAGMA Y EL FUELLE. El manómetro de Bourdon es el ejemplo típico de esta clase ELEMENTOS PRIMARIOS ELÁSTICOS El tubo de Bourdon es un tubo de sección elíptica que forma un anillo casi completo, cerrado por un extremo. Al aumentar la presión en le interior del tubo, este tiende enderezarse y el movimiento es transmitido a la aguja. El elemento espiral se forma arrollando el tubo Bourdon en forma de espiral alrededor de un eje común, y el helicoidal arrollando mas de una espira en forma de hélice. Elemento en Espiral Espiras en torno a un eje común. Elemento Helicoidal Mismo efecto, pero en forma de hélice. ELEMENTOS PRIMARIOS ELÁSTICOS El diafragma consiste en una o varias capsulas circulares conectadas rígidamente entre si por la soldadura, de forma que al aplicar presión, cada capsula se deforma y la suma de los pequeños desplazamientos es amplificada por un juego de palancas. Cápsulas circulares conectadas entre sí por soldadura. Al aplicar presión, cada cápsula se deforma y la suma de desplazamiento se amplifica por un juego de palancas. Se aplica para pequeñas presiones. CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS ELEMENTOS PRIMARIOS ELÁSTICOS El fuelle es parecido al diafragma compuesto, pero de una sola pieza flexible axialmente, y puede dilatarse o contraerse con un desplazamiento considerable. Similar al diafragma compuesto, pero de una sola pieza flexible axialmente. Larga duración. Se aplica para bajas presiones. “PIEZOELECTRICIDAD” Captadores Piezoeléctricos La piezoelectricidad consiste en la aparición de desequilibrios de carga eléctrica en determinadas zonas de láminas talladas según ciertos ejes, en respuesta a una deformación de la red cristalina provocada, por ejemplo, por la aplicación de una fuerza. El fenómeno es reversible de modo que, si se crea una distribución asimétrica de cargas, se produce una deformación correspondiente en el cristal. Los materiales piezoeléctricos son cristales naturales o sintéticos que no poseen centro de simetría. Es un fenómeno presentado por determinados cristales que al ser sometidos a tensiones mecánicas adquieren una polarización eléctrica en su masa, apareciendo una diferencia de potencial y cargas eléctricas en su superficie. También se presenta a la inversa, esto es, se deforman bajo la acción de fuerzas internas al ser sometidos a un campo eléctrico. El efecto de una compresión o de un cizallamiento consiste en disociar los centros de gravedad de las cargas positivas y de las cargas negativas. Aparecen de este modo dipolos elementales en la masa y, por influencia, cargas de signo opuesto en las superficies enfrentadas. Materiales piezoeléctricos Pueden distinguirse dos grupos de materiales Los que poseen carácter piezoeléctrico de forma natural (cuarzo, turmalina), durante el proceso de fabricación, se “polarizan” calentándolos por encima del punto Curie y se dejan enfriar lentamente en presencia de un fuerte campo eléctrico. los llamados ferroeléctricos, que presentan propiedades piezoeléctricas tras ser sometidos a una polarización (tantalio de litio, nitrato de litio, bernilita en forma de materiales monocristalinos, Cerámicas o polímeros polares bajo forma de microcristales orientados). Diagrama del Efecto Piezoeléctrico Dependiendo de la dirección del corte, se consiguen láminas sensibles a deformaciones por compresión, esfuerzo cortante o flexión. “Base Teórica” Las relaciones Mecano-Eléctricas para un material piezoeléctrico vienen dadas por las siguientes ecuaciones (unidimensionales): δ = δ(T, E) → δ = s · T + d · E D = D(T, E) → D = ε · E + d · T δ Deformación unitaria T Esfuerzo E Campo eléctrico D Desplazamiento ε Constante dieléctrica s Inversa del módulo de Young d Constante piezoeléctrica (C/N ) Tanto la deformación mecánica como el vector desplazamiento eléctrico se deben a una combinación del esfuerzo y campo eléctrico aplicado al material. Un índice de la conversión viene dado por el coeficiente de acoplamiento electromecánico (K), definido como la raíz cuadrada de la relación entre la energía disponible y la almacenada (para frecuencias muy por debajo de la frecuencia de resonancia del elemento) Puede demostrarse que: La generalización de las ecuaciones anteriores a tres dimensiones, proporciona las siguientes relaciones: donde se cumple que “Circuito Equivalente de un cristal piezoeléctrico” La Figura representa un Circuito eléctrico equivalente a un sensor piezoeléctrico, con L, R, C en serie alimentado por un generador de tensión v(t). La relación entre v(t) e i(t) estará dada por la ecuación La deformación genera una carga Q cuyo valor es aproximadamente proporcional al acortamiento unitario del espesor del cristal, para deformaciones muy pequeñas, o sea: Donde K es una constante que depende del material y de la dirección de la talla y e es el espesor del cristal antes de la deformación. Z está variando con el tiempo a una velocidad dz/dt y una aceleración d2z/dt2, considerando el sentido positivo de z indicado en la Fig., Se obtiene derivando la expresión: El equilibrio dinámico se expresará indicando balance de fuerzas que actúa sobre el sistema: Por lo tanto: Puede establecerse una equivalencia entre ambas expresando la proporcionalidad entre las funciones de los primeros miembros y entre los coeficientes correspondientes del segundo, o sea: Resulta así que puede establecerse una analogía entre el cristal en su equilibrio dinámico y un circuito resonante serie con amortiguamiento, en donde son válidas las siguientes relaciones: • La tensión de alimentación es proporcional a la fuerza. • La resistencia es proporcional al coeficiente representativo del efecto del amortiguamiento mecánico del sistema. • La inductancia es proporcional a la masa equivalente del cristal. • La capacidad eléctrica es proporcional a la capacidad mecánica. En aplicaciones como sensor, donde el funcionamiento tiene lugar a frecuencias muy inferiores a la de resonancia mecánica del cristal, tanto las velocidades como las aceleraciones tienen valores tan bajos que es posible despreciar los términos asociados a estas magnitudes. APLICACIONES: Actuadores Altavoces de agudos Cápsula (Pick-up) de tocadiscos. Encendido electrónico Encendedores o mecheros eléctricos. Hidrófonos (Geofísica). Motores piezoeléctricos . Sensores de vibración en guitarras eléctricas. Recarga automática de baterías para teléfonos móviles y computadoras portátiles. Reguladores de presión proporcional neumáticos. Reloj de cuarzo Sensores . Transductores ultrasónicos (como los cabezales de los ecógrafos). Transformador Piezoeléctrico Generadores de ultrasonidos, Posicionadores de elementos mecánicos A continuación se muestra esquemáticamente la estructura de un acelerómetro típico, donde puede observarse como el cristal está pre-comprimido por un resorte dispuesto entre la carcasa del transductor y la masa de inercia que actúa como sonda. La fuerza de pre-compresión puede ajustarse haciendo girar la tapa roscada sobre la que se apoya el resorte. SENSOR PIEZORRESISTIVO 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). Se define el efecto piezoresistivo como el cambio en la resistividad (ρ) de un material con tensión mecánica aplicada (e), y está representada por el término (1 / e) (Δρ / ρ) en la ecuación para el factor de galga de un medidor de deformación . El silicio dopado con pequeñas cantidades de material de n-o de tipo p exhibe un gran efecto piezoresistivo y se utiliza para la fabricación de medidores de tensión con altos factores de calibre. sensor piezorresistivo: Un sensor piezorresistivo está en contacto con un fluido hidráulico de protección, y separado del medio por una membrana de acero inoxidable. La flexión de la membrana como resultado de la presión externa produce un cambio en la presión del fluido hidráulico que rodea el sensor piezorresistivo. Este sensor emite una señal de presión proporcional, que se convierte en una señal de salida de 420 mA. Este método de medición es muy adecuado para detectar bajas presiones, y permite obtener elevados factores de sobrecarga. La forma tradicional de hacer sensores de presión de diafragma es un cemento de metal de lámina de medidores de deformación sobre la superficie plana de un diafragma de metal. En los sensores de presión piezorresistivo el elemento elástico es un diafragma de silicio plana. La distorsión del diafragma es detectada por cuatro elementos de deformación piezoresistivos hechas mediante la introducción de material de dopaje en áreas del silicio, donde la tension es mayor. Un método de introducir el material de dopaje es la difusión a altas temperaturas; los cuatro medidores de deformación resultantes están conectados en un circuito de puente de deflexión en la forma normal. Un sensor típico de este tipo tiene un rango de entrada de 0 a 100 kPa, una sensibilidad de alrededor de 3mV/kPa (para una tensión de alimentación del puente 10V), una frecuencia natural de 100 kHz y combinado no linealidad y la histéresis de ± 0,5%. Uno de los principales problemas que presentan los sensores de presión piezorresistivos es la dependencia de la sensibilidad con la temperatura, dependencia que debe ser compensada y para lo cual existen diferentes métodos con distintas complejidades. (a) muestra un sensor de presión piezorresistivo donde se introduce en un diafragma de silicio de tipo n material de dopaje de tipo p utilizando la tecnología de implantación de iones. Cuatro elementos de deformación piezorresistivo se producen de este modo (dos en tensión, dos en compresión), que están conectados en un circuito de puente de deflexión. (b) muestra cómo el elemento puede ser utilizado para medir presiones absoluta, diferencias y calibre de presion. Un sensor típico de este tipo tiene un rango de entrada de 0 a 100 kPa. Una sensibilidad de alrededor de 1mV/kPa (para una tensión de alimentación del puente 12V). Un tiempo de subida de 10% a 90% de 100μs y no linealidad típica combinada y histéresis de ± 0,1%. Aplicaciones La gran mayoría de las aplicaciones de los sensores piezorresistivos se encuentran en el ámbito industrial pero también existen aplicaciones fuera de este campo tales como aplicaciones biomédicas y del mundo del entretenimiento. •Comprobación de succión en maquinas que se dedican a transportar materiales. •Prueba de fuga. •Comprobación de asentamiento •Control de videojuegos. En la industria de los videojuegos también se utilizan este tipo de sensores tanto para los diferentes tipos de botones de los mandos como para otros periféricos como por ejemplo la wii balance board para determinar la posición del jugador sobre una tabla para realizar ejercicios. •Aplicaciones médicas. Se pueden utilizar sensores de presión convenientemente adaptados para la medida de la presión arterial así como en diagnósticos respiratorios medidores endotraqueales y máquinas de oncología. SENSORES ELECTROQUÍMICOS Los sensores electroquímicos son pequeños dispositivos que como resultado de una interacción química, el sensor transforma dicha información química o bioquímica de tipo cuantitativo en una señal medible y útil analíticamente. han sido de gran importancia para la evolución de la medicina junto con el desarrollo de equipos biomédicos que ayudan al personal especializado a diagnosticar y tomar decisiones para cada uno de los pacientes. Principios, características y aplicaciones, se tienen en cuenta en tres tipos de sensores electroquímicos que son: 1. Sensores potenciométricos. 2. Amperométricos. 3. Conductimétricos. SENSORES POTENCIOMÉTRICOS. Los sensores potenciométricos son pequeños y de fácil operación además pueden ser automatizados. El fundamento teórico de estos sensores es la ecuación de Nernst. Esta ecuacion nos dice que los cambios de potencial son proporcionales a la actividad específica de las especies iónicas participantes del equilibrio. Estos tipos de electrodos son capaces de medir cambios de potencial superficiales a corrientes cercanas a cero y han sido diseñados a partir de algunas estrategias. Estrategias. Potencial transmembrana. Potencial del electrodo. Potencial transmembrana. El electrodo detecta la diferencia de potencial generada de un lado y del otro de una membrana selectiva. El antígeno o anticuerpo inmovilizado sobre la membrana se une con el correspondiente compuesto de la solución y cambia el potencial. Activando el sensor. • Potencial del electrodo. En este caso es en la superficie del electrodo donde se forma el complejo antígeno-anticuerpo, produciéndose un cambio de potencial relacionado con la concentración del analito en solución. SENSORES AMPEROMÉTRICOS Diseñados para medir la corriente generada por una reacción electroquímica a un voltaje constante. Existen pocas aplicaciones prácticas ya que son pocas las enzimas capaces de intervenir en reacciones redox, por lo que se necesitan marcadores electroquímicamente activos. Cuentan con una excelente sensibilidad, esto se debe a la relación lineal con la concentración del analito, comparado con la relación logarítmica utilizada en los sistemas potenciométricos. La aplicación más conocida de este tipo de sensores, es el medidor de glucosa, o glucómetro, que por medio de una pequeña muestra de sangre, puede determinar el nivel de azúcar presente en la sangre. SENSORES CONDUCTIMÉTRICOS Y DE CAPACITANCIA Estos dispositivos miden las alteraciones en la conductividad de una solución a voltaje constante causadas por reacciones bioquímicas que específicamente consumen o producen iones. La desventaja que presentan estos sensores es que la alta fuerza iónica de las matrices biológicas dificultan la detección de los cambios de conductividad pequeños causados por la reacción bioquímica. Estos sensores suelen medir un flujo de corriente, un cambio de capacitancia o resistencia del material. Una de las aplicaciones que poseen este tipo de sensores, son los usados para la determinación de doping en los deportistas. Igualmente permiten determinar la conductividad de la sangre, que es un factor que ayuda establecer si está circulando como debe ser la sangre por las venas y arterias. EJEMPLOS Tatuaje que monitorea el sudor de atletas El dispositivo consiste en sensores electroquímicos complejos con tatuajes temporales y simples. Este biosensor es altamente sensible y puede monitorear el pH y la cantidad de lactato en el sudor de una persona. Puede crear un informe comprensivo de la salud de quien lo use. SENSORES DE EFECTO HALL EFECTO HALL El efecto Hall consiste en que en un metal o semiconductor por el cual circula una corriente, situado en un campo magnético perpendicular al vector de corriente, surge un campo eléctrico transversal y un diferencia de potencial. FUNCIONAMIENTO Los sensores de efecto Hall son dispositivos de estado sólido los cuales forman un circuito eléctrico. Constan de un elemento conductor o semiconductor y un imán. Cuando un objeto ferromagnético se aproxima al sensor, el campo que provoca el imán en el elemento se debilita. Así se puede determinar la proximidad de un objeto que sea ferromagnético. Sensor de Posición de efecto Hall lineal Sistema de encendido electrónico de un automóvil por medio un sensor de efecto Hall APLICACIONES El campo de aplicaciones de los sensores de Efecto Hall es extremadamente amplio: Medidores de campo magnético o gaussímetros. En la industria automotriz (por ejemplo para medir velocidades de rotación o detectar la posición de un determinado elemento). como interruptores accionados por el campo magnético de un imán. En la medición de la corriente que circula por un conductor. Efecto Hall para detección de virus. Mediciones y exploraciones magnéticas terrestres. Física Médica. ECUACIONES QUE RIGEN EL EFECTO HALL La diferencia de potencial VH generado por el campo eléctrico entre los laterales de la lámina depende de manera proporcional al campo aplicado, y de la velocidad, a su vez la velocidad depende de la corriente que circula por la placa: Donde RH: resistencia Hall : Campo magnético I: Corriente : densidad superficial VENTAJAS Y DESVENTAJAS Ventajas: No sufren fricción al ser accionados, debido a su principio magnético de funcionamiento. No es sensible a factores ambientales como la humedad, el polvo, el calor. Ofrecen datos fiables a cualquier velocidad de rotación. Desventajas: Baja resolución (típicamente de 60 – 240 pulsos por revolución) Necesidad de alimentación para la corriente. CURVA DE ENTRADA/SALIDA En un sensor de efecto Hall, la entrada es debida a la aplicación de un campo magnético, y la salida que produce es un voltaje VH. HOJA DE DATOS Para el sensor de efecto Hall de la serie HCT-1000SH de Premo, algunas especificaciones que encontramos en su hoja de datos son: Excelente precisión ± 0.1% Muy Buena linealidad ± 0.1% Tamaño compacto: 100x70x110 mm Corriente nominal: 1000 Amps Medida de corriente: ± 3000 Amps Ratio de transformación: 1:5000 Tensión de alimentación = ± 15 - 24 Vdc LISTA DE FABRICANTES Premo. Honeywell. Baumer. Penny Giles. Compañía líder en el diseño, fabricación y comercialización de componentes inductivos para el mercado electrónico. Importante empresa multinacional estadounidense que produce una variedad de productos de consumo, servicios de ingeniería y sistemas aeroespaciales. Empresa dedicada a la Venta de Sensores, Controladores de Proceso, Encoders, Sensores de Fuerza etc. fiabilidad. marca de renombre internacional por su alta calidad y Gracias por su atención
