• Ley de las temperaturas sucesivas o intermedias

Si dos metales homogéneos producen un ftem. E1 cuando las uniones están a T1 y T2 y una ftem.E2, cuando las uniones están a T2 y T3, la ftem. cuando las uniones estén a T1 y T3 será (E1 + E2).Esto significa, por ejemplo, que la unión de referencia no tiene porque estar a ooc si no que puede usarse otra temperatura de referencia.

En el caso (a) se trata de la conexión serie de varios termopares, constituyendo lo que se denomina una termopila. Es fácil comprobar que aumenta la sensibilidad respecto al caso de un soto termopar. En el caso (b) la conexión es en paralelo, y se detecta la temperatura media si todos los termopares son lineales en el margen de medida y tiene la misma resistencia.

Efecto de la temperatura ambiente en la unión de referencia de los termopares

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

Compensación de la unión de referencia en circuitos de termopares

Para aplicar el efecto Seebeck a la medida de temperaturas, es necesario mantener una de las uniones a una temperatura de referencia. Una solución consiste en disponer la unión de referencia en hielo fundente. Es una solución de gran exactitud y facilidad de montaje, pero es de difícil mantenimiento y coste alto. Se puede mantener también la unión de referencia a una temperatura constante a base de emplear un refrigerador Peltier o un horno termostatado. Pero, en cualquier caso, debe usarse mucho hilo de uno de los dos metales del termopar, y esto encarece la solución.

La solución de la figura anterior permite emplear un hilo de conexión más económico (cobre), si bien sigue siendo una solución cara por la necesidad de mantener una temperatura de referencia constante. Si el margen de variación de la temperatura ambiente es menor que la resolución deseada, puede dejarse la unión de referencia simplemente al aire. En caso contrario, se emplea la denominada compensación electrónica de la unión de referencia. Se procede de la siguiente forma:

Compensación electrónica de la unión de referencia en un circuito de termopares: se miden las variaciones de temperatura ambiente con otro sensor y se suma una tensión igual a la generada en la unión fría.

Consiste en dejar que la unión de referencia sufra las variaciones de la temperatura ambiente, pero éstas se detectan con otro sensor de temperatura, dispuesto en la vecindad de la unión de referencia, y se suma una tensión igual a la generada en la unión fría. La tensión de alimentación del puente debe ser estable y puede ser, por ejemplo, la de una pila de mercurio o la de un generador electrónico de una tensión de e referencia estable. Hay circuitos integrados que miden la temperatura ambiente y ofrecen una tensión de compensación para distintos termopares. El LT1025 se puede aplicar a termopares E, J, D, R, S y T. Los AD594 y AD595 integran, además de la compensación (para termopares J y K, respectivamente), un amplificador de instrumentación.

Explicación de la tabla estándar de termopares

Los termopares comerciales se designan por letras (T, E, J, K, R) que identifican los materiales que contienen y se especifican generalmente por su sensibilidad o coeficiente térmico (MV/ºC).

El tipo E, J, K, y T son termopares de base metálica y se pueden utilizar hasta por encima de 1000°C. El tipo S, R, y B se denominan termopares nobles por poseer platino como elemento básico y se pueden utilizar hasta por encima de 2000°C.

Termopar tipo T (Cu- Constantan)
Termoelemento positivo: Cu 100%
Termoelemento negativo: Cu55%, Ni45%
Rango de utilización: -270ºC a 400ºC
F.E.M. producida: -6,258 mV a 20,872 mV
Características: puede utilizarse en atmósferas inertes, oxidables o reductoras. Gracias a la gran homogeneidad con que el cobre puede ser procesado, se obtiene una buena precisión. En temperaturas superiores a 300ºC, la oxidación del cobre se torna muy intensa, lo que reduce su vida útil y ocasiona desvíos en la curva de respuesta original.

Termopar tipo J (Fe- Constantan)
Termoelemento positivo: Fe99,5%
Termolemento negativo: Cu55%, Ni45%
Rango de utilización: -210ºC a 760ºC
F.E.M. producida: -8,096 mV a 42,919 mV
Características: puede utilizarse en atmósferas neutras, oxidables o reductoras. No se recomienda en atmósferas muy húmedas y a bajas temperaturas el termoelemento positivo se vuelve quebradizo. Por encima de 540ºC el hierro se oxida rápidamente. No se recomienda en atmósferas sulfurosas por encima de 500ºC.

Termopar tipo E (Cr- Constantan)
Termoelemento positivo: Ni90%, Cr10%
Termolemento negativo: Cu55%, Ni45%
Rango de utilización: -270ºC a 1000ºC
F.E.M. producida: -9,835 mV a 76,373 mV
Características: Puede utilizarse en atmósferas oxidables, inertes o al vacío, no debe utilizarse en atmósferas alternadamente oxidables y reductoras. Dentro de los termopares a menudo utilizados, es el que posee mayor potencia termoeléctrica, bastante conveniente cuando se desea detectar pequeñas variaciones de temperatura.

Termopar tipo K (Cr- Constantan)
Termoelemento positivo: Ni90%, Cr10%
Termoelemento negativo: Ni95%, Mn2%, Si1%, Al 2%
Rango de utilización: -270ºC a 1200ºC
F.E.M. producida: -6,458 mV a 48,838 mV
Características: Puede utilizarse en atmósferas inertes y oxidables. Por su alta resistencia a la oxidación se utiliza en temperaturas superiores a 600ºC y en algunas ocasiones en temperaturas por debajo de 0ºC. No debe utilizarse en atmósferas reductoras y sulfurosas. En temperaturas muy altas y atmósferas pobres en oxigeno ocurre una difusión del cromo, lo que ocasiona grandes desvíos de la curva de respuesta del termopar. Este último efecto se llama “green - root”.

Termopar tipo N (Nicrosil - Nisil)
Termoelemento positivo: Ni84,4%, Cr14,2%, Si1,4%
Termoelemento negativo: Ni95,45% Si4,40%, Mg0,15%
Rango de utilización: -270ºC a 1300ºC
F.E.M. producida: -4,345 mV a 47,513 mV
Características: Este nuevo tipo de termopar es un sustituto del termopar tipo K que posee una resistencia a la oxidación superior a éste. En muchos casos también es un sustituto de los termopares a base de platino a raíz de su temperatura máxima de utilización. Se recomienda para atmósferas oxidables, inertes o pobres en oxígeno, ya que no sufre el efecto “green - root”. No debe exponerse a atmósferas sulfurosas.

Termopar tipo S
Termoelemento positivo: Pt90%, Rh10%
Termoelemento negativo: Pt100%
Rango de utilización: -50ºC a 1768ºC
F.E.M. producida: -0,236 mV a 18,693 mV
Características: Puede utilizarse en atmósferas inertes y oxidables, presenta estabilidad a lo largo del tiempo en temperaturas elevadas, superiores a las de los termopares no constituidos de platino. Sus termoelementos no deben exponerse a atmósferas reductoras o con vapores metálicos. Nunca deben insertarse directamente en tubos de protección metálicos, pero sí en tubos con protección de cerámica. Fabricado con alúmina (Al2O3) de alto contenido de pureza. Para temperaturas superiores a 1500ºC se utilizan tubos de protección de platino. No se recomienda el uso de los termopares de platino en temperaturas abajo de 0ºC debido a la inestabilidad en la respuesta del sensor. En temperaturas por encima de 1400ºC ocurre crecimiento de granulaciones que los dejan quebradizos.

Termopar tipo R
Termoelemento positivo: Pt87%, Rh13%
Termoelemento negativo: Pt100%
Rango de utilización: -50ºC a 1768ºC
F.E.M. producida: -0,226 mV a 21,101 mV
Características: Posee las mismas características del termopar tipo "S", aunque en algunos casos es preferible el tipo "R" por tener una potencia termoeléctrica mayor en un11%.

Termopar tipo B
Termoelemento positivo: Pt70,4%, Rh29,6%
Termoelemento negativo: Pt93,9%, Rh6,1%
Rango de utilización: 0ºC a 1820ºC
F.E.M. producida: 0,000 mV a 13820 mV
Características: Puede ser utilizado en atmósferas oxidables, inertes y por un corto espacio de tiempo en el vacío. Normalmente se utiliza en temperaturas superiores a 1400ºC, por presentar menor difusión de rodios que los tipos S y R. A temperaturas abajo de los 50ºC la fuerza electromotriz termoeléctrica generada es muy pequeña

Sensores piezoeléctricos

El efecto piezoeléctrico consiste en la aparición de una polarización eléctrica en un material al deformarse bajo la acción de un esfuerzo.

Es un efecto reversible, de modo que al aplicar una diferencia de potencial eléctrico a un materialpiezoeléctrico, aparece una deformación. Todos los materiales ferroeléctricos son piezoeléctricos. La propiedad piezoeléctrica está relacionada con la estructura cristalina. Estos fenómenos fueron descubiertos por Jacques y Pierre Curie en 1880.

Aplicaciones

La aplicación del efecto piezoeléctrico está sujeto a una serie de limitaciones.

- La resistencia eléctrica que presentan los materiales piezoeléctricos aunque es muy grande no es infinita. De modo que al aplicar un esfuerzo constante se genera inicialmente una carga que inevitablemente es drenada al cabo de un tiempo. Por lo tanto, no tienen respuesta en continua.

- Estos sensores presentan un pico en la respuesta para la frecuencia de resonancia. Por tanto, espreciso trabajar siempre a frecuencias muy inferiores a la de resonancia mecánica.

- La sensibilidad presenta derivas con la temperatura. Además, por encima de la temperatura de Curie (específica para cada material) desaparece el efecto piezoeléctrico.

- La impedancia de salida de estos sensores es muy alta, por lo que para medir la tensión de salida es preciso utilizar amplificadores con una impedancia de entrada enorme. Son los denominados amplificadores electrométricos o de carga.

Entre las ventajas de los sensores piezoeléctricos destacaremos las siguientes:

- Alta sensibilidad, obtenida muchas veces a bajo coste.

- Alta rigidez mecánica; las deformaciones experimentadas son inferiores a 1μm. Esta alta impedancia mecánica es conveniente para la medida de variables esfuerzo (fuerza, presión, etc)

- Pequeño tamaño y posibilidad de obtener dispositivos con sensibilidad unidireccional. Estas características hacen a este tipo de sensores especialmente adecuados para medir todo tipo de vibraciones. Por ejemplo una aplicación típica es como micrófono. También se utilizan mucho en la detección por ultrasonidos.

Sensores piroeléctricos

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

Sensores fotoeléctricos

Efecto fotovoltaico

El efecto fotoeléctrico interno visto para los fotoconductores, cuando se produce en la zona de una unión p-n permite obtener una tensión eléctrica que es función de la intensidad de la radiación incidente. A la generación de un potencial cuando una radiación ioniza una zona donde hay una barrera de potencial se la denomina efecto fotovoltaico.Al poner en contacto un semiconductor p (dopado con aceptadores) con un semiconductor n (dopado con donadores), debido al movimiento térmico hay electrones que pasan a la zona p y “huecos” que pasan a la zona n, donde se recombinan, respectivamente, con los portadores de carga de signo, como resultado, en una pequeña zona a ambos lados de la superficie de contactos apenas hay portadores libres, y los iones positivos de la zona n y los negativos de la zona p, fijos en sus posiciones en la estructura cristalina, crean un intenso campo eléctrico que se opone a la difusión de más portadores a través de esta barrera de potencial. De este modo se llega a un equilibrio entre la corriente de difusión y la inducida por este campo eléctrico. Si se dispone una conexión externa con cada semiconductor, no se detecta diferencia de potencial interna en la unión queda compensada exactamente por los potenciales de contacto de las conexiones externas con el semiconductor.

Materiales y aplicaciones

Aunque existen formas adicionales a la unión p-n para crear una barrera de potencial, ésta es la más frecuente en sensores. Si la unión p-n está constituida por un mismo semiconductor, se habla de homounión. En caso contrario, se trata de una heteruounión. En la elección del material hay que tener en cuenta la longitud de onda de la radiación a detectar. En la zona visible y del infrarrojo cercano se emplean el silicio y el selenio, el primero en forma de homouniones, mientras que el segundo consta de una capa de selenio (p) sobre óxido de cadmio (n). Al silicio se añade a veces una zona de silicio intrínseco (no dopado) entre las zonas p y n. Esto aumenta la anchura de la zona desierta y repercute en un mayor rendimiento a longitudes de onda largas, así como en una mayor rapidez y menor ruido y corriente de oscuridad. Para otras longitudes de onda se emplean el germanio, antimoniuro de indio, arseniuro de indio, etc.