La salida del sensor decrece exponencialmente con la distancia al objeto.

Transcripción

1 Instrumentación y Control Industrial 40 d) láser Con la excepción de los encoders, los sensores de desplazamientos electroopticos son los más comunes sensores sin contactos. Cuando la superficie de un objeto, cuyo desplazamiento quiere medirse, es suficientemente reflectora puede usarse un par fuente-sensor de luz para medir desplazamientos pequeños. La siguiente figura ilustra este principio. La salida del sensor decrece exponencialmente con la distancia al objeto. Cuando la superficie no es reflectante puede adherirse a la superficie un reflector. Los haces luminosos pueden ser de intensidad constante o modulada a una frecuencia determinada (dependiendo del tiempo de respuesta del sensor y de la aplicación). Uno de los tipos de fuentes utilizados (entre otros) es el láser, que ofrecen un haz luminoso monocromático, coherente y bien colimado. Un método muy utilizado en la medida de espesores delgados o en general distancias entre el elemento sensor (fuente láser y dos sensores) y la superficie, es el de triangulación. La interacción del láser con la superficie se observa desde los sensores con el mismo ángulo pero en direcciones opuestas. La posición del objeto puede determinarse a partir a partir de las salidas de los dos sensores. Una variación de este método emplea dos haces láser a igual ángulo aunque opuestos respecto a la normal a la superficie y un sensor que detecta la intersección de los haces en una dirección normal a la superficie. Los sensores de imagen detectan la distancia entre los láser cuya distancia al objeto quiere medirse. Aplicando técnicas de interferencia a los sistemas de medida de desplazamientos por luz láser se desarrollan los lasers interferómetros como se muestran en la siguiente figura.

2 Instrumentación y Control Industrial 41 El principio óptico de este dispositivo se basa en el interferómetro Michelson. El haz láser se divide en dos haces ortogonales mediante un separador de haces. Un haz se aplica directamente sobre un espejo plano que lo refleja retornando al separador de haz. El otro haz se aplica a un espejo que se desplaza a lo largo del haz, y cuyo desplazamiento quiere ser medido, o, como muestra la figura anterior, a un reflector del que se refleja el haz hacia un espejo plano fijo. En ultimo caso, es el desplazamiento del reflector el cual se quiere medir. El segundo espejo retorna el haz por el camino inverso al separador de haces. Aquí el haz se recombina e interfiere (óptimamente), con el haz de referencia. La interferencia es constructiva cuando la diferencia entre los dos caminos es un numero entero de longitudes de onda; es destructiva cuando la diferencia de caminos es un numero impar de medidas longitudes de onda. Cuando el reflector se mueve y varia la diferencia de caminos, el fotodetector detecta un franja de interferencia por cada longitud de onda. El desplazamiento se determina con un contaje de franjas, esto proporciona una salida digital de elevada precisión (del orden de micrómetros). e) Sincros y Resolvers Los sincros y resolvers se utilizan solo para medir desplazamientos angulares. Estos pertenecen al tipo de transductores de desplazamiento angular de tipo transformador diferencial. Estos tipos de transductores tienen limitado su rango del orden de + ó 40º, de manera que para ángulos grandes la salida tiene un comportamiento no lineal. En un diseño típico los arrollamientos primarios y secundarios están montado sobre una forma (estator) y un rotor ferromagnético con forma de cardioide cambia el acoplo entre el primario y cada uno de los arrollamientos secundarios. Formas apropiadas de rotor ayudan a la linealización de la salida. En el sincro el arrollamiento primario del rotor, que se mueve con el desplazamiento angular a medir, interacciona inductivamente con un estator de tres fases cuyos arrollamientos están separados físicamente 120º.

3 Instrumentación y Control Industrial 42 En muchas aplicaciones el sincro utilizado como sensor (synchro-transmisor) proporciona una salida eléctrica usada para controlar a su vez la posición mecánica del rotor de un segundo sincro (synchro-receptor) que puede ser usado como dispositivo de visualización o realizar algún trabajo mecánico. Cuando el sincro-transmisor acciona a un sincro-receptor se dice que operan como sincro-par. Cuando su rotor se mueve hasta una posición angular dada, el estator del sincro-receptor provoca un par que actúa sobre su rotor. Este par se reduce a cero solo cuando el rotor del receptor tiene la misma posición angular. Cuando la salida eléctrica de un sincro se usa para otros propósitos que los de accionar a un sincro-receptor, el sincro-transmisor se dice que actúa como sincro-control. El resolver difiere del sincro principalmente en el numero y espaciado de los arrollamientos. Ambos, el rotor de dos fases y el estator de dos fases, tienen los arrollamientos espaciados 90º. Cuando se utiliza como transductor de medida, el resolver tiene uno de sus dos arrollamientos motores cortocircuitado. f) regla magnética En el codificador magnético, un disco o una regla móvil tiene una superficie segmentada en áreas magnetizadas o no magnetizadas. Un núcleo ferromagnético provisto de un

4 Instrumentación y Control Industrial 43 arrollamiento de entrada y un arrollamiento de salida se aproxima a la superficie. Se aplica una señal de entrada al arrollamiento de entrada. Cuando el núcleo esta sobre un segmento no magnetizado el núcleo no se satura y se produce una señal de salida (1). Cuando el núcleo esta sobre un segmento magnetizado se satura y por tanto no hay señal de salida (0). De esta forma, podemos conocer la posición, teniendo en cuenta de elementos magnéticos y no magnéticos que han pasado por el núcleo. Al igual que en los encoders increméntales, es necesario conocer la posición inicial, ya que el transductor proporciona el desplazamiento realizado en incrementos. En las regla magnéticas, al igual que en los encoders, también existe una codificación absoluta, es decir la regla esta compuesta por varias pistas en las cuales están impresa magnéticamente la posición, normalmente mediante códigos en los que solo cambia un bit. En la siguiente figura, mostramos las estructuras de códigos digitales en codificadores absolutos. g) Galgas extensométricas La galga extensiométrica nos permite obtener, mediante el adecuado acondicionamiento de la señal resultante, una lectura directa de la deformación longitudinal producida en un punto de la superficie de un material dado, en el cual se ha adherido la galga.

5 Instrumentación y Control Industrial 44 La unidad de medida de la deformación se expresa mediante (épsilon). Esta unidad de medida es adimensional, y expresa la relación existente entre el incremento de longitud experimentado por el objeto y la longitud inicial. = l l El concepto de deformación engloba todas las variaciones sufridas por un cuerpo cuando éste ha sido sometido a una fuerza externa, bien sea compresión, tracción, torsión o flexión. La galga extensiométrica es básicamente una resistencia eléctrica. El parámetro variable y sujeto a medida es la resistencia de dicha galga. Esta variación de resistencia depende de la deformación que sufre la galga. Se parte de la hipótesis inicial de que el sensor experimenta las mismas deformaciones que la superficie sobre la cual está pegada. El sensor está constituido básicamente por una base muy delgada no conductora, sobre la cual va adherido un hilo metálico muy fino, de forma que la mayor parte de su longitud está distribuida paralelamente a una dirección determinada, tal y como se muestra en la figura siguiente: La resistencia de la galga es la propia resistencia del hilo, que viene dada por la siguiente ecuación: R = l S En base a esta última ecuación, se puede afirmar que la resistencia eléctrica del hilo es directamente proporcional a su longitud, o lo que es lo mismo, su resistencia aumenta cuando éste se alarga. De este modo las deformaciones que se producen en el objeto, en el cual está adherida la galga, provocan una variación de la longitud y, por consiguiente, una variación de la resistencia. R = l S

6 Instrumentación y Control Industrial 45 Otro principio de funcionamiento de las galgas se basa en la deformación de elementos semiconductores. Esta deformación provoca una variación, tanto en la longitud como en la sección, pero de una forma más acusada, en la resistividad () del semiconductor. De esta forma: R = l S Este tipo de sensor semiconductor posee un factor de galga más elevado que el constituido por hilo metálico. Los sensores de desplazamientos por galgas extensométricas sor raramente usados como tales, siendo mucho mas aplicados como elementos transductores accesorios de otros transductores (ej. Células de carga, acelerómetros) o sistemas sensores (ej. Sonda de peso, control de tensión, perfiles). Están basados típicamente en la utilización de haces elásticos o flexores a los que están unidas las galgas extensometricas una galga en tensión y otra en comprensión (como podemos apreciar en la siguiente figura). Estas galgas configuran semipuentes de dos elementos activos. En la siguiente figura se muestra un ejemplo que utiliza galgas semiconductoras (piezorresistivas). Un encapsulado cerámico garantiza una capa de aislamiento elástico entre las dos galgas y el haz deflector. La unidad mostrada tiene una longitud de 38mm. Existen diversas configuraciones de ejes sensores y bases de montaje.

7 Instrumentación y Control Industrial 46 h) inductosyn o regla magnética El funcionamiento del Inductosyn es similar a la del resolver con la diferencia de que el rotor desliza linealmente sobre el estator i) piezoelectricos En 1880, Jacques y Pierre Curie descubrieron que al aplicar presión a un cristal de cuarzo se establecían cargas eléctricas en este; ellos llamaron a este fenómeno el efecto piezoeléctrico. Mas tarde ellos verificaron que un campo eléctrico aplicado al cristal proporcionaba una deformación al cristal. Por tanto, los materiales piezoeléctricos, pueden ser utilizados para convertir energía eléctrica en energía mecánica y viceversa. Un actuador piezoeléctrico es un dispositivo que produce movimiento (desplazamiento) aprovechando el fenómeno físico de la piezoelectricidad. El movimiento preciso que resulta cuando un campo eléctrico es aplicado al material, es de gran valor para nanoposicionamiento. Ventajas: Un actuador piezoeléctrico puede producir cambios de posición extremadamente finos por debajo del rango del nanómetro. Los pequeños cambios en el voltaje son convertidos en suaves movimientos. Un actuador piezoeléctrico puede generar una fuerza de varios miles de Newton.

8 Instrumentación y Control Industrial 47 Los piezoactuadores ofrecen el tiempo más rapido de respuesta disponible (microsegundos). El efecto piezoeléctrico esta relacionado a los campos eléctricos. Los actuadores piezoeléctricos no producen campos magnéticos ni son afectados por estos. Son especialmente apropiados para aplicaciones donde los campos magnéticos no pueden tolerarse. El efecto piezoeléctrico convierte directamente energía eléctrica en movimiento absorbiendo energía solo durante éste. La operación estática, aun sosteniendo cargas pesadas, no consume potencia. Un actuador piezoeléctrico no tiene engranes ni ejes rotativos. Su desplazamiento se basa en la dinámica de estado sólido y no muestra desgaste ni rotura. Los piezoactuadores son elementos que no necesitan ningún lubricante y no muestran desgaste y abrasión. Esto los hace compatibles con espacios limpios e idealmente apropiados para aplicaciones de Ultra Alto Vacío. El efecto piezoeléctrico se basa en campos eléctricos y funciona hasta casi 0 grados kelvin ) Detectores de Presencia y Proximidad a) Detectores inductivos Los sensores basados en un cambio de inductancia debido a la presencia de un objeto metálico están entre los sensores de proximidad industriales de más frecuente uso. El principio de funcionamiento de estos sensores puede observarse en las siguientes figuras.

9 Instrumentación y Control Industrial 48 La figura muestra un diagrama esquemático de un sensor inductivo, que consiste fundamentalmente en una bobina arrollada, situada junto a un imán permanente empaquetado en un receptáculo simple y robusto. El efecto de llevar el sensor a la proximidad de un material ferromagnético produce un cambio en la posición de las líneas de flujo del imán permanente según se indica en la figura. En condiciones estáticas no hay ningún movimiento en las líneas de flujo y, por consiguiente, no se induce ninguna corriente en la bobina. Sin embargo, cuando un objeto ferromagnético penetra en el campo del imán o lo abandona, el cambio resultante en las líneas de flujo induce un impulso de corriente, cuya amplitud y forma son proporcionales a la velocidad de cambio de flujo. La forma de onda de la tensión, observada a la salida de la bobina, proporciona un medio efectivo para la detección de proximidad. La tensión medida a través de la bobina varía como una función de la velocidad a la que un material ferromagnético se introduce en el campo del imán. La polaridad de la tensión, fuera del sensor, depende de que el objeto este penetrando en el campo abandonándolo. Existe una relación entre la amplitud de la tensión y la distancia sensor-objeto. La sensibilidad cae rápidamente al aumentar la distancia, y el sensor sólo es eficaz para fracciones de un milímetro. Puesto que el sensor requiere movimiento para generar una forma de onda de salida, un método para producir una señal binaria es integrar esta forma de onda. La salida binaria se mantiene a nivel bajo en tanto que le valor integral permanezca por debajo de un umbral especificado, y luego se conmuta a nivel alto (indicando la proximidad de un objeto) cuando se supera el umbral. b) Detectores Capacitivos A diferencia con los sensores inductivos que detectan solamente materiales ferromagnéticos, los sensores capacitivos son potencialmente capaces (con diversos grados de sensibilidad) de detectar todos los materiales sólidos y líquidos. Como su nombre indica, estos sensores están basados en la detección de un cambio en la capacidad inducido por una superficie que se lleva cerca del elemento sensor.

10 Instrumentación y Control Industrial 49 El elemento sensor es un condensador constituido por un electrodo sensible y un electrodo de referencia. Estos electrodos pueden ser, por ejemplo, un disco y un anillo metálicos separados por un material dieléctrico. Una cavidad de aire seco se suele colocar detrás del elemento capacitivo para proporcionar aislamiento. El resto del sensor está constituido por circuitos electrónicos que pueden incluirse como una parte integral de la unidad, en cuyo caso suelen estar embebidos en una resina para proporcionar soporte mecánico y sellado. Hay varios métodos electrónicos para detectar la proximidad basados en cambios de la capacidad. Uno de los más simples incluye el condensador como parte de un circuito oscilador diseñado de modo que la oscilación se inicie solamente cuando la capacidad del sensor sea superior a un valor umbral preestablecido. La iniciación de la oscilación se traduce luego en una tensión de salida, que indica la presencia de un objeto. Este método proporciona una salida binaria, cuya sensibilidad de disparo dependerá del valor umbral. La capacidad varía como una función de la distancia para un sensor de proximidad basado en los conceptos anteriores. Es de interés destacar que la sensibilidad disminuye mucho cuando la distancia es superior a unos pocos milímetros y que la forma de la curva de respuesta depende del material objeto de detección. En condiciones normales, estos sensores son accionados en un modo binario, de modo que un cambio en la capacidad mayor que en un umbral preestablecido T indica la presencia de un objeto, mientras que los cambios por debajo del umbral indican la ausencia de un objeto con respecto a los limites de detección establecidos por el valor de T c)detectores ópticos Los sensores de posición fotoeléctricos emplean una fuente de luz, y un sensor de luz para detectar la presencia o ausencia de objetos que bloqueen o no el camino de luz u ocasionen la reflexión del haz de luz sobre el elemento sensor. Generalmente se utilizan diodos emisores de luz, como fuente de luz. Los dos métodos primarios utilizados son la exploración directa y la exploración retrorreflexiva.

11 Instrumentación y Control Industrial 50 exploración directa: Una fuente de luz y un sensor de luz (fotorreceptor) se colocan en oposición con el fin de detectar el paso de un objeto entre ellos. De esta forma, el emisor estaría continuamente emitiendo luz, la cual detecta el fotorreceptor, dando así una determinada tensión de salida. Si se coloca un objeto en medio del emisor y receptor, este ultimo, no recibirá el haz de luz producido, por lo que dará lugar a otra tensión de salida (por ejemplo 0 voltios).evidentemente este objeto debe ser lo suficientemente opaco como para bloquear la luz. Este tipo de detector puede cubrir aproximadamente 500 metros de distancia. exploración reflexiva: la fuente de luz y el sensor se colocan del mismo lado del objeto a detectar, siendo el haz de luz reflejado por el objeto, o por una pantalla adherida a el. Existen tres tipos de exploración reflexiva: retrorreflexiva, especular y difusa. En la exploración retrorreflexiva la fuente de luz y el sensor están ubicados en una misma caja. La luz actúa sobre el objeto reflectante que devuelve la luz por el mismo camino. Discos o cintas acrílicas, incluso yeso, se usan como reflectores. Cuanto mayor es el reflector, mayor puede ser la longitud del camino (normalmente, esta es de 5 metros como máximo). La falta de alineamiento y las vibraciones en estos casos, no resultan ser criticas, siendo también utilizados estos reflectores cuando los objetos son algo translucidos, en los que se podría perder parte de la intensidad de la luz emitida. Otro tipo de combinación es la de poner en un extremo el emisor y receptor, y en el otro extremo un reflectante, de esta forma, el haz de luz emitido por el emisor, es reflejado en el reflectante, y captado por el fotorreceptor. Al poner un objeto en medio del transmisor y el reflector, la luz, no podrá ser captada por el fotorreceptor, produciéndose así la conmutación en éste (este caso podría catalogarse como exploración directa o por barrera).

12 Instrumentación y Control Industrial 51 En la exploración especular el objeto debe ser altamente reflexivo (por ejemplo metal pulido, espejos...). Como se ilustra en la figura, el ángulo incidente, es igual al ángulo reflejado, por lo que las posiciones del sensor y la fuente, así como las distancias al objeto deben ser cuidadosamente controladas. En la exploración difusa, los objetos son mates, en vez de brillantes, y el sensor detecta radiación difusa o esparcida, es decir, la luz se dispersa únicamente cuando existe turbiedad, y el detector, lo que detecta, es la luz dispersa. Otros tipos, pueden detectar incluso los colores del objeto, mediante la polarización de la luz recibida al reflejarse en el, ya que luz tiene una polarización u otra, según el color. Otro tipo de detectores son los basados en fibra óptica. En estos, el emisor suele ser una fuente de luz (LED) conectado a un cable de fibra óptica, el cual transmite la luz, sin apenas perdida. Estos son utilizados para lugares poco accesibles, en los que se introduce la fibra óptica, para que emita la luz al detector. En ambientes muy luminosos, puede ocurrir, que lo que el detector detecte sea la luz ambiental, y no la originada por la fuente de luz, y por tanto, no conmute al obstruirse la comunicación entre éste y el emisor. Para evitar este efecto indeseable se utiliza luz infrarroja, especialmente si es modulada, junto a sensores de luz sintonizados a la frecuencia modulada. La

13 Instrumentación y Control Industrial 52 modulación se realiza en forma de pulsos, proporcionando pulsos infrarrojos de alta intensidad provenientes de un LED. En general estos tipos de detectores son muy utilizados por su elevada inmunidad a perturbaciones electromagnéticas (en una instalación industrial, encontramos muchas estructuras metálicas), así como por su alta velocidad de respuesta. d) detectores Ultrasónicos En esta categoría se incluyen los sensores que emiten un pulso de energía electromagnética hacia un cuerpo, determinando la distancia al mismo por el tiempo transcurrido desde la emisión del pulso hasta la recepción del pulso reflejado al chocar con el objeto (eco). El elemento en cuestión es capaz de trabajar tanto en modo emisor como receptor y debe dar como salida una información proporcional al tiempo transcurrido. El número de pulsos emitidos por unidad de tiempo es lo que se llama frecuencia de repetición del sensor ultrasónico. Dependiendo de las distancias a medir, se utilizara una determinada longitud de onda, por ejemplo, en la medida de distancias de orden de 0.3 a 5 metros, se utilizan longitudes de onda del orden de ultrasonidos (RF de baja frecuencia) especialmente en medidas submarinas. Longitudes de ondas muy cortas caracterizan a los sensores como radares de seguimiento o como radares de altura que llegan a la región de microondas. Longitudes de onda todavía mas cortas se usan en los altímetros lasers y sensores de distancias sofisticados. Una de las principales ventajas de este tipo de sensores, es que pueden detectar cualquier tipo de objeto, ya sean metálicos, transparentes..., pero por el contrario, son muy complicados de calibrar, es por ello que sólo se usan cuando no se puedan utilizar en su lugar otro tipo de sensores. Es común, poner varios dispositivos juntos, en forma de círculo, para hacer un mapa de la zona. Se ha de tener cuidado en estos casos, de separar lo suficientemente entre si estos sensores, para que no interfieran entre ellos. Se ha de tener también la precaución de no utilizarlos en ambientes ruidosos, o donde el aire circule con violencia, pues los pulsos electromagnéticos producidos por el detector, podrían ser modificados, detectándose erróneamente en el regreso ) Transductores de temperatura: La medida de temperatura constituye una de las mediciones más comunes y más importantes que se efectúan en los procesos industriales. Los transductores de temperatura basan su funcionamiento en diversos fenómenos que son influidos por la temperatura entre los que podemos nombrar: - Variación de resistencia de un conductor (RTD). - Variación de resistencia de un semiconductor (Termisores). - Fuerza electromotriz creada por la unión de dos metales o aleaciones diferentes (Termopares). - Intensidad de la radiación total emitida por el cuerpo (Pirómetros de radiación). Cada tipo de transductor tiene su campo de aplicación bien definido en cuanto a margen de temperatura y otros parámetros en los que se considera óptimo su rendimiento. Dependiendo del margen de temperaturas a medir, tendremos que utilizar diferentes transductores de muy distintas tecnologías.

14 Instrumentación y Control Industrial 53 a) TERMOSTATO También llamados interruptores térmicos bimetálicos, están formados por dos metales de diferente cociente de dilatación térmica. Cuando se produce un cambio de temperatura, la pieza se deforma según un arco circular uniforme. Este tipo de dispositivos, son denominados todo o nada, ya que o están funcionando o están parados. Un termostato en funcionamiento, recibe un aumento de temperatura que hace que el bimetal que lleva en el interior se deforme haciendo un arco, este toca otra chapita que hace que el termostato cambie su estado a parado. Ejemplo: Magneto-térmico. La expresión del radio de curvatura viene dada por la siguiente expresión: r ( 3 ( )( T T )) A 2e B 2 1 Donde: temperaturas. e es el espesor de la pieza. N A y N B son los coeficientes de dilatación lineal. El radio de curvatura varía de forma inversamente proporcional a la diferencia de Los dispositivos basados en bimetales suelen emplearse en el margen de temperaturas de 0 a 300 º C. Además, este tipo de dispositivos presenta un tipo de respuesta muy lento. b) DETECTORES DE TEMPERATURA RESISTIVOS (RTD). Consiste normalmente en un arrollamiento de un hilo muy fino del conductor, bobinado entre capas de material aislante y protegido con un revestimiento de vidrio o cerámica. Estos detectores de temperatura se denomina RTD ( Resistance Temperatura Detector), utilizan la variación de la resistencia eléctrica de los materiales con la temperatura. Desde el punto de vista constructivo existen diferentes versiones: - Una arrollada alrededor de una placa aislante y protegida por un encapsulado de acero inoxidable, del que salen los terminales de la resistencia. - Una en forma de película delgada y físicamente más pequeña. En el tramo lineal de la característica Resistencia-Temperatura obtenemos la siguiente ecuación : R t = R 0 ( 1+ t) Los materiales que forman el conductor de la resistencia deben poseer las siguientes características: - Alta resistividad ( Mayor Sensibilidad ).

15 Instrumentación y Control Industrial 54 - Relación lineal Resistencia-Temperatura. Esto simplifica el aparato de media asociado al transductor y aumenta la precisión de la medida. - Rigidez y ductilidad. Permite realizar los procesos de fabricación de estirado y arrollamiento del conductor en la sonda y obtener así tamaños más pequeños. -Estabilidad de las características de la vida útil del material. Este tipo de sensores están construidos principalmente por materiales como el platino y el níquel. - El platino es el material más adecuado por su precisión y estabilidad, pero presenta el inconveniente de su elevado coste. El platino presenta una exactitud con respecto a la temperatura que va en el rango de [ , 630,74 ] ºC. - El níquel es más barato y presenta una resistencia más elevada que el platino pero presenta un gran inconveniente que es su falta de linealidad, no es muy lineal, además su coeficiente de temperatura puede variar en la fabricación. - Otro material que se utiliza es el cobre, que tiene una variación de resistencia uniforme, pero presenta el inconveniente de su baja resistividad. c) TERMOPARES Un termopar está constituido por dos metales o aleaciones diferentes, unidos en uno de sus extremos. Su funcionamiento se basa en el efecto descubierto por Seebeck que consiste en la circulación de una corriente en un circuito formado por dos metales diferentes cuyas uniones se mantienen a distinta temperatura. El efecto Seebeck engloba los efectos descubiertos por C.A. Peltier y W. Thompson. Entre sus ventajas podemos señalar: * Rango de medida muy amplio. En conjunto trabaja en el rango de [ -270, 3000] ºC. * Estabilidad a largo plazo. * Fiabilidad elevada. * Mayor exactitud que las RTD para temperaturas bajas. * Velocidad de respuesta rápida. * Robustez. * Modelo de bajo precio. En las uniones termopar interesa tener una resistencia elevada sin requerir mucha masa, ya que ésta implicaría una respuesta lenta. También es deseable un coeficiente de temperatura débil en la resistividad, alta linealidad y resistencia a la oxidación a temperaturas altas. Para lograr estas propiedades se emplean aleaciones especiales como el cromel (Níquel 90% y Cromo 10%), alumel, etc. La protección frente al ambiente se logra mediante una vaina, normalmente de acero inoxidable. Existen unidades termopares de tipo estándar y otras de tipo especiales antiexplosiones. Los elementos del termopar son: - El elemento sensor ( Los dos hilos con la unión caliente o de medida) se suelen disponer de dos formas diferentes:

16 Instrumentación y Control Industrial 55 * Con aislamiento de óxido de magnesio (MgO). * Con aislamiento de pequeños tubos cerámicos. - La vaina, donde va alojado el termopar, asegura protección contra daños producidos pro esfuerzos mecánicos, corrosión y contaminación. - El cabezal de conexión que asegura una buena conexión entre el elemento sensible y el instrumento de medida. Los termopares más utilizados son : Fragmento de una tabla de tensiones frente a temperatura para un termopar tipo J. Las tensiones vienen dadas en mv. e) TERMISTORES Estos sensores de temperatura consisten básicamente en una resistencia con gran coeficiente de temperatura. Este coeficiente puede se de dos tipos: - Negativo, dando lugar a los CTN ( Coeficiente de Temperatura Negativo) - Positivo, dando lugar a los CTP (Coeficiente de Temperatura Positivo).

17 Instrumentación y Control Industrial 56 Se fabrican en un amplio margen de resistencias que van desde algunos ohmios hasta varios MT 25ºC. CTN El coeficiente de temperatura se representa por a: = dr R dt = 1 R dr dt Los CTN son muy sensibles y están constituidos por mezclas sintetizadas de óxidos metálicos. Se presentan en distintas configuraciones como: Discos, barras, película delgada, etc. La relación Resistencia - Temperatura es de la forma: R CTN es la resistencia a la temperatura T. Ro es la resistencia a la temperatura To. B Es la denominada temperatura característica del bimetal, y tiene valores que rondan los 400K. A temperaturas normales de trabajo la consideramos como constante. CTP Tienen un coeficiente de temperatura positivo y consisten en que la resistencia aumenta con la temperatura. Tienen la propiedad de que el valor de su resistencia varía notablemente cuando se alcanza la temperatura característica del material. Por debajo de esta temperatura, la resistencia es baja V 100 ohmios y por encima la resistencia es muy alta, 100 Megaohmios. Este tipo de sensores se aplican fundamentalmente en la detección del umbral de temperatura. Debido a su gran diferencia entre Rmin y Rmax, los CTP se comportan prácticamente como un interruptor que se abre y se cierra en las temperaturas próximas a la temperatura crítica TC. Este tipo de sensores son del tipo todo o nada. f) TRANSDUCTORES INTEGRADOS Estos sensores están basados normalmente en la sensibilidad a la temperatura de uniones de silicio. Son muy económicos, suelen tener gran precisión, aunque tienen el inconveniente de su no muy amplio espectro de temperatura de funcionamiento. Los timos mas comunes son los resistores másicos, los diodos y los circuitos integrados. La transducción está basada en el cambio de resistencia de una placa de silicio. La resistencia de una placa de silicio cambia con la temperatura a la que se somete. Estos sensores tienen un margen de temperatura de funcionamiento que oscila entre -55 ºC y los 200 ºC.

18 Instrumentación y Control Industrial 57 Ejemplos de este tipo de sensores son el LM135/LM355. Estos sensores están construidos en forma de circuito integrado, con una complejidad apreciable. Estos sensores operan como un zéner de dos terminales, dando un voltaje de ruptura proporcional a la temperatura, concretamente 10 mv/k. Presentan una impedancia dinámica menor que 1 ohmio y trabajan con una corriente inversa que puede oscilar entre 400 microamperios. Las características mas importantes son las siguientes: - Directamente calibrado en grados Kelvin. - Precisión inicial disponible de un grado centígrado. - Bajo coste. - Velocidad de respuesta lenta.