Termopares y sensor capacitivo

Universidad José Antonio PáezSensores y Adquisición de datosSección: 307E1

Sensores generadores para temperatura

Realizado por:

Jorge Campos C.I: 21454260Introducción

El presente trabajo trata acerca del termopar y el sensor de proximidad capacitivo, se verá un poco en qué consiste su funcionamiento así como características especiales del sensor, tipos de conexión y algunas aplicaciones para las cuales son usadas estos dispositivos.

Termopares

Principio de funcionamiento

Un termopar consta de dos conductores diferentes en contacto, que producen un voltaje cuando se calienta. El tamaño de la tensión depende de la diferencia de la temperatura de la unión a otras partes del circuito. Los termopares son un tipo de sensor de temperatura para la medición y el control ampliamente utilizado y también se puede utilizar para convertir un gradiente de temperatura en electricidad. Cualquier unión de metales diferentes producirá un potencial eléctrico relacionado con la temperatura.

En 1821, el físico alemán Thomas Johann Seebeck Estonia descubrió que cuando un conductor es sometido a un gradiente térmico, generará una tensión. Esto ahora se conoce como el efecto termoeléctrico o efecto Seebeck. Para los metales típicos utilizados en termopares, la tensión de salida aumenta casi linealmente con la diferencia de temperatura en un rango de temperaturas limitado. La relación no lineal entre la diferencia de temperatura y la tensión de salida de un termopar puede ser aproximada por un polinomio

Aplicaciones

Los termopares son adecuados para la medición sobre una gran gama de temperaturas, de hasta 2300 C. Las aplicaciones incluyen la medición de la temperatura para los hornos, de escape de la turbina de gas, motores diesel, y otros procesos industriales. Ellos son menos adecuados para aplicaciones en

las que es necesario medir con gran precisión las diferencias de temperatura más pequeñas, por ejemplo, el rango de 0-100 C con 0,1 C de precisión.

Industria siderúrgicaTipo B, S, R y termopares K se utilizan ampliamente en las industrias de acero y hierro para monitorear las temperaturas y química durante todo el proceso de fabricación de acero. Desechable, sumergible, tipo S termopares se utilizan regularmente en el proceso de horno de arco eléctrico para medir con precisión la temperatura del acero antes de tocar.

Seguridad de los aparatos de calefacciónMuchos aparatos de calefacción de gas alimentados tales como hornos y calentadores de agua hacen uso de una llama piloto para encender el quemador principal de gas cuando sea necesario. Si se va la luz, el gas puede ser liberado, lo cual es un riesgo de incendio y un riesgo para la salud. Para evitar esto, algunos aparatos usan un termopar en un circuito a prueba de fallos para detectar cuando el piloto se está quemando. 

FabricaciónTermopares general, se pueden utilizar en las pruebas de prototipo de aparato eléctrico y mecánico. Por ejemplo, interruptores a prueba por su capacidad de conducción de corriente puede tener termopares instalados y controlados durante una prueba de funcionamiento en caliente, para confirmar que el aumento de la temperatura a la corriente nominal no supera los límites de diseño.

Enfriamiento termoeléctricoEl efecto Peltier se puede utilizar para la refrigeración, en el proceso inverso a un generador termoeléctrico. En lugar de generar energía eléctrica, el termopar lo consume, trabajando como bomba de calor.

Tipos

Ciertas combinaciones de aleaciones se han hecho populares como estándares de la industria. La selección de la combinación es impulsada por el coste, la disponibilidad, la conveniencia, punto de fusión, propiedades químicas, la estabilidad, y la salida. Los diferentes tipos son los más adecuados para diferentes aplicaciones. Por lo general, se seleccionan sobre la base de la gama de temperaturas y sensibilidad necesaria. Los termopares con sensibilidades bajas tienen resoluciones correspondientemente bajas.

KTipo K es el termopar de propósito general más común, con una sensibilidad de aproximadamente 41 V/C. Es barato, y una amplia variedad de sondas están disponibles en su -200 C a 1350 C/-330 F a 2460 F gama. Uno de los metales constituyentes, níquel, es magnético, estándar de color del cable se amarillo y rojo.

ETipo E tiene una salida alta, que hace que sea muy adecuado para uso criogénico. Adicionalmente, es no magnético. Amplia gama es de -50 a 740 C y el rango estrecho es -110-140 C. estándar de color del cable es de color púrpura y rojo.

JTipo J tiene un alcance más limitado que la de tipo K, pero una mayor sensibilidad de aproximadamente 55 V/C. Estándar de color del cable es de color blanco y rojo.

NTipo N termopares son adecuados para su uso entre -270 C y 1300 C debido a su estabilidad y resistencia a la oxidación. La sensibilidad es de aproximadamente 39 V/C a 900 C, ligeramente inferior en comparación con el tipo K.

Tipos Platinum B, R y STipos B, R, y S termopares uso de platino o una aleación de platino-rodio para cada conductor. Estos son algunos de los termopares más estables, pero tienen menor sensibilidad que otros tipos.

BTermopares tipo B utilizan una aleación de platino-rodio para cada conductor. Un conductor contiene 30% de rodio, mientras que el otro conductor contiene 6% de rodio. Estos termopares están adaptadas para el uso de hasta 1.800 C. termopares tipo B producen la misma salida a 0 º C y 42 º C, lo que limita su uso por debajo de 50 º C.

R

Tipo R termopares utilizan una aleación de platino-rodio que contiene 13% de rodio para un conductor y platino puro para el otro conductor. Type R termopares se utilizan hasta 1600 C.

STipo S termopares se construyen utilizando un cable de 90% de platino y 10% de rodio y un segundo cable de 100% de platino. Como tipo I, tipo S termopares se utilizan hasta 1600 C. En particular, tipo S se utiliza como el estándar de calibración para el punto de fusión del oro.

TTermopares tipo T son adecuados para mediciones en el rango de -200 a 350 ° C. A menudo se utiliza como una medida diferencial, ya que sólo hilo de cobre toca las sondas. Dado que los dos conductores son no magnético, no hay punto de Curie y por lo tanto ningún cambio brusco en características. Termopares tipo T tienen una sensibilidad de aproximadamente 43 V/C.

CTermopares tipo C son adecuados para mediciones en el 0 C a 2320 C rango. Este termopar está bien adaptado para hornos de vacío a temperaturas extremadamente altas. Nunca se debe usar en presencia de oxígeno a temperaturas superiores a 260 C.

MTipo M termopares utilizan una aleación de níquel para cada cable. El cable positivo contiene 18% de molibdeno, mientras que el cable negativo contiene 0,8% de cobalto. Se utiliza con menos frecuencia que otros tipos.

Chromel-gold/ironEn chromel-gold/iron termopares, el cable positivo es cromel y el cable negativo es oro con una pequeña fracción de hierro. Se puede utilizar para aplicaciones criogénicas. La sensibilidad es típicamente alrededor de 15 V/K a bajas temperaturas y la temperatura más bajo utilizable varía entre 1,2 y 4,2 K.

Formas de Conexión

Cuando el punto de medida está lejos del equipo de medida, no se utiliza un termopar muy largo, resulta muy costoso, sino que se utiliza un cable especial llamado “cable compensado”. Tiene la peculiaridad de que su unión con el termopar no genera voltaje termoeléctrico apreciable. Este cable no tiene la misma aleación que el propio termopar, ya que resultaría muy caro. También tiene polaridad, por lo que hay que tenerlo en cuenta para conectarlo. Tampoco es un sustituto del propio cable del termopar, ya que no presenta la misma estabilidad frente a altas temperaturas ni a cambios de esta.

Sensores Capacitivos

Principio de Funcionamiento

El principio de funcionamiento de un sensor de proximidad capacitivo, está basado en la medición de los cambios de capacitancia eléctrica de un condensador en un circuito resonante RC, ante la aproximación de cualquier material. Los sensores de proximidad inductivos y capacitivos están basados en el uso de osciladores, en los que la amplitud de oscilación varía al aproximar un objeto.

Consta de una sonda situada en la parte posterior de la cara del sensor el cual es una placa condensadora. Al aplicar corriente al sensor, se genera un

campo electrostático que reacciona a los cambios de la capacitancia causados por la presencia de un objeto. Cuando el objeto se encuentra fuera del campo electrostático, el oscilador permanece inactivo, pero cuando el objeto se aproxima, se desarrolla un acoplamiento

Aplicaciones

Estos sensores se emplean para la identificación de objetos, para funciones contadoras y para toda clase de control de nivel de carga de materiales sólidos o líquidos. También son utilizados para muchos dispositivos con pantalla táctil, como teléfonos móviles o computadoras ya que el sensor percibe la pequeña diferencia de potencial entre membranas de los dedos eléctricamente polarizados de una persona adulta.

Detección de nivelEn esta aplicación, cuando un objeto (líquidos, granulados, metales, aislantes, etc.) penetra en el campo eléctrico que hay entre las placas sensor, varía el dieléctrico, variando consecuentemente el valor de capacitancia.

Sensor de humedad

El principio de funcionamiento de esta aplicación es similar a la anterior. En esta ocasión el dieléctrico, por ejemplo el aire, cambia su permitividad con respecto a la humedad del ambiente.

Detección de posición

Esta aplicación es básicamente un condensador variable, en el cual una de las placas es móvil, pudiendo de esta manera tener mayor o menor superficie efectiva entre las dos placas, variando también el valor de la capacitancia, y también puede ser usado en industrias químicas.

Factores de corrección de objeto para sensores capacitivos de proximidad

Para un tamaño de objeto dado, los factores de corrección de los sensores capacitivos están determinados por la propiedad del material del objeto conocida como constante dieléctrica. Los materiales con valores más altos de constante dieléctrica son más fáciles de detectar que aquellos con valores más bajos.

Comparación entre la construcción blindada y no blindada

Sonda blindadaLos sensores blindados están construidos con una banda de metal que rodea la sonda. Esto ayuda a dirigir el campo electroestático hacia el frente del sensor y resulta en un campo más concentrado.

La construcción blindada permite que el sensor sea montado al ras en el material circundante sin que éste ocasione una activación en falso.

Sonda sin blindajeLos sensores sin blindaje no tienen una banda de metal alrededor de la sonda y por lo tanto tienen un campo electroestático menos concentrado. Muchos modelos no blindados están equipados con sondas de compensación que proporcionan una mayor estabilidad al sensor.

Los sensores capacitivos sin blindaje también están mejor equipados que lostipo blindados para su uso con bases de sensor de plástico, un accesoriodiseñado para aplicaciones de nivel de líquidos. La base se monta por medio de un orificio en un tanque y el sensor se desliza al interior del receptáculo de la base. El sensor detecta el líquido en el tanque a través de la pared de la base de sensor.

Tipo de Conexión

Los diferentes sensores de proximidad que nos encontramos en el mercado se pueden clasificar por la tecnología que usan para alimentarse y obtener la salida del sensor. Los diferentes tipos de sensores de proximidad pueden conectarse con dos hilos, tres hilos o cuatro hilos. Los cables o terminales que nos vamos a encontrar en un sensor de proximidad, la misión que cumple cada cable y la nomenclatura del cable que proviene de una abreviatura del color del cable en inglés se detalla a continuación:

Alimentación positiva (+): El cable es marrón y se denomina B (Brown)

Alimentación negativa (-): El cable es azul y se denomina BU (Blue).

Salida del sensor: El cable es negro y se denomina BK (Black).

Salida antivalente o normalmente cerrada: El cable es blanco y se denomina WH (White).

Sensores de proximidad de dos hilos

Este tipo de sensores de proximidad que tienen solo dos hilos para conectar, se alimentan y conectan la carga en serie, de manera que funcionan como un contacto normalmente abierto o normalmente cerrado dependiendo del sensor.

Sensores de proximidad de tres hilos

En los sensores de proximidad que tienen tres hilos nos encontramos que tienen dos hilos para la alimentación del sensor y un tercer hilo que tiene como misión exclusiva la salida del sensor indicando si el sensor está detectando o no. Los hilos de alimentación suelen ser de los colores indicados anteriormente marrón para positivo y azul para negativo, siendo el tercer hilo de color negro para dar la salida.

Nos podemos encontrar cuatro tipos de salidas, la salida puede ser en función del sensor PNP o NPN, se diferencian porque a la PNP se le denomina salida positiva conectando la carga entre el cable de salida y el cable negativo. Los sensores con salida NPN se dice que tienen salida negativa conectando la carga entre el cable de salida y el positivo.

A su vez nos podemos encontrar que la salida sea un contacto normalmente abierto de tal forma que no tendremos señal de salida hasta que no detecte el sensor de proximidad. La otra posibilidad es que el sensor de proximidad tenga una salida con un contacto normalmente cerrado, teniendo señal de salida cuando el sensor está en reposo y dejando de emitir la salida cuando el sensor está detectando.

Sensores de proximidad de cuatro hilos

Los sensores de proximidad con cuatro hilos tienen las mismas características que indicábamos para el sensor de proximidad de tres hilos pero sumando un cuarto hilo que equivale a otra salida, teniendo el sensor una salida normalmente abierta y otra normalmente cerrada. A esta otra salida se le denomina salida antivalente y suele ser el cable de color blanco.

Conclusiones

Mediante el siguiente trabajo se pudo observar que tanto el termopar como el sensor de proximidad actúan como transductores, ya que estos miden una magnitud temperatura para el termopar y presencia para el sensor capacitivo y estos la convierten a una señal eléctrica conocida.

Existe una gran variedad de termopares diseñados para cumplir con prácticamente todos los casos posibles que puedan ocurrir en una planta, siendo los más comunes el tipo K y J debido a su buen desempeño y bajo costo en comparación con otros más especializados.

Existe una gran variedad de sensoresde proximidad capacitivos los cuales pueden encontrarse en cuerpo de latón niquelado o cuerpo de plástico, estos a su vez vienen en distintos tamaños 12mm, 18mm, 30mm, 34mm, lo cual para los modelos más grandes el rango de detección es mas amplio.

Experiencia personal

En mi caso yo hice pasantías en la empresa Ajeven, esta se dedica a la fabricación y producción del refresco big cola, jugos pulp, bebidas energizantes esporade, etc.

Recuerdo que una vez hubo un problema con el sensor que le enviaba la señal a la maquina que llenaba las botellas de esporade, al parecer la maquina no estaba siendo supervisada por ningún operador ya que estas se empezaron a acumular hasta el punto de rebozar el lugar donde se depositaban y en consecuencia empezaron a caer al suelo y a romperse algunas incluso tenían un poco de producto, al final tuvieron que llamar a un grupo de obreros de sus puestos de trabajo para que ayudaran a recoger los vidrios rotos recoger las botellas buenas y limpiar el liquido.

Esto seguramente provoco un contratiempo en la producción del producto convirtiéndose en trabajar horas extras o acelerar la producción, etc.

Bibliografia

Ernest E. Doebelin. Sistemas de medición e instrumentación (5ta edición). Editorial Mc GrawHill.

http://centrodeartigo.com/articulos-noticias-consejos/article_142137.html

http://www.skillten.com/cursos/sens002/semana2/capacitivos_funcionamiento.pdf

http://literature.rockwellautomation.com/idc/groups/literature/documents/ca/c116-ca504_-es-p.pdf

http://es.slideshare.net/daylipocoyo/sensores-capacitivos-15157457?next_slideshow=1

http://automantenimiento.net/electricidad/tipos-de-conexiones-de-los-sensores-de-proximidad/