SENSORES GENERADORES

Definición de sensores generadores.

Se consideran sensores generadores aquellos que generan una señal eléctrica a partir de la magnitud que midan, sin necesidad de una alimentación eléctrica.

Ofrecen una alternativa para medir muchas de las magnitudes ordinarias, sobre todo temperatura, fuerza y magnitudes afines. Pero, además, dado que se basa en efecto reversible, están relacionados con diversos tipos de accionadores o aplicaciones inversas en general. Es decir, pueden emplear para la generación de acciones no eléctricas a partir de señales eléctricas.

Que es efecto reversible.

Es aquel donde un acción que genera un efecto, se puede reproducir la acción a partir del efecto que esta genera, es decir, si A genera a B, entonces a partir de B se reproduzca A.

Que es efecto irreversible.

Es aquel donde una acción que genera un efecto, no se puede reproducir la acción a partir del efecto.

Que es efecto termoelectrico.

El efecto termoeléctrico en un material relaciona el flujo de calor que lo recorre con la corriente eléctrica que lo atraviesa. Este efecto es la base de las aplicaciones de refrigeración y de generación de electricidad: un material termoeléctrico permite transformar directamente el calor en electricidad, o bien generar frío cuando se le aplica una corriente eléctrica. Los sensores que utilizan este efecto se llaman sensores termoeléctricos o también son llamados termopares.

Defina con texto y con gráficos el Efecto Peltier

Descubierto por Jean C. A. Peltier en 1834, consiste en el calentamiento o enfriamiento de una unión entre dos metales distintos al pasar corriente por ella. Al invertir el sentido de la corriente, se invierte también el sentido del flujo de calor. Es decir, si una unión antes se calentaba (cedía calor), al cambiar el sentido de la corriente se enfría (absorbe calor), y si primero se enfriaba, ahora se calienta. Este efecto es reversible e independiente del contacto, es decir, de la forma y dimensiones de los conductores. Depende sólo de su composición y de la temperatura de la unión. Esta dependencia resulta ser lineal y viene descripta por el coeficiente de Peltier, π que por tener dimensiones de tensión se llama a veces “tensión Peltier”. Se define como el calor generado en la unión entre A y B por unidad de corriente (de carga positiva) que circula de B a A.

Para una unión a temperatura absoluta T, se demuestra que:

Efecto Peltier: al hacer circular corriente por un circuito de termopares una unión se enfría y la otra se calienta.

El hecho de que el calor intercambiado por unidad de superficie de la unión sea proporcional a la corriente y no a su cuadrado de la corriente, y no cambia al hacerlo su dirección.

El efecto Peltier es también independiente del origen de la corriente, que puede ser, incluso de origen termoeléctrico. En este caso las uniones alcanzan una temperatura distinta a la del ambiente, y ello puede ser una fuente de errores.

Defina con texto y con gráficos el Efecto Thompson

El efecto Thompson implica la aparición de un flujo de calor al circular una corriente a través de un gradiente de temperatura en un material. Supongamos un conductor por el cual circula una corriente de calor, más no una corriente eléctrica. Esto induce la aparición de una distribución de temperaturas en el material, gobernada por los coeficientes cinéticos. Supongamos ahora que cada punto del material es conectado a un baño térmico de igual temperatura.

La igualdad de temperaturas entre el material en cada punto y el baño correspondiente implica que no habrá intercambio de calor entre éstos y el material. Si ahora se inyecta una corriente eléctrica, ocurrirá un intercambio de energía entre el material y los reservorios. En otras palabras, consiste en la absorción o liberación de calor por parte de un conductor homogeneo con temperatura no homogenea cuando por el circule una corriente.

Efecto Thompson: Al circular una corriente por un conductor homogeneo con temperatura no homogenea, se absorbe o libera calor.

El calor liberado es proporcional a la corriente, no a su cuadrado, y, por ello cambia de signo al hacerlo el sentido de la corriente. Se absorbe calor al fluir corriente del punto mas frío al mas caliente, y se libera cuando fluye del mas caliente al mas frío. Es decir, se absobe calor si la corriente y el calor fluyen en sentidos opuestos, y se libera calor si fluyen en el mismo sentido.

Efecto Thompson: aqui se absorbe calor, debido a que la corriente y el calor fluyen en direcciones opuestas.

Defina con texto y con gráficos el Efecto Seebeck

El efecto Seebeck, descubierto por el físico alemán Thomas Johann Seebeck (1770 – 1831), se refiere a la emisión de electricidad en un circuito eléctrico compuesto por conductores diferentes, mientras estos tienen diferentes temperaturas. Los conductores se conectan en serie. La diferencia de temperatura causa un flujo de electrones en los conductores, se dice que el flujo inicia directamente desde el área de mayor temperatura hacia la de menor temperatura.

En el punto de contacto de los conductores se presenta una diferencia de potencial.

En otras palabras, en un circuito de dos materiales distintos homogéneos, metal A y B, con dos uniones a temperaturas diferentes, aparece una corriente eléctrica. Es decir hay una conversión de energía térmica a energía eléctrica, o bien, si se abre el circuito, una fuerza termoelectromotriz (f.t.e.m) que depende de los metales y de la diferencias de temperatura de las dos uniones. Al conjunto de estos dos metales distintos con una unión firme en un punto o una zona se le denomina termopar. 

El producto que más utiliza este fenómeno son los denominados “termopares” que sirven como sensores de temperatura, también las llamadas termopilas que son un arreglo de varios termopares en serie para medir temperatura básicamente.

Termopar

Un termopar es un dispositivo para medición de temperatura, basados en efectos termoeléctricos. Es un circuito formado por dos tipos de metales diferentes o aleaciones de metales diferentes, unidos en sus extremos y entre cuyas uniones existe una diferencia de temperatura, que genera una fuerza electromotriz (efecto seebeck).

La fuerza electromotriz generada por el termopar está en función de la diferencia de temperatura entre la unión fría y caliente, pero mas específicamente, ésta es generada como resultado de los gradientes de temperatura los cuales existen a lo largo de la longitud de los conductores.

Tipos de Termopares

En las uniones de termopar interesa tener: resistividad elevada para tener una resistencia alta sin requerir mucha masa, lo cual implicaría alta capacidad calorífica y respuesta lenta; coeficiente de temperatura débil en la resistividad; resistencia a la oxidación a temperaturas altas, pues debe tolerar la atmósfera donde van a estar, y linealidad lo mayor posible.

Para lograr estas propiedades se emplean aleaciones especiales: níquel (90)/cromo (10) -cromel-; cobre (57)/ níquel (43); níquel (94)/aluminio (2)/manganeso (3)/silicio (1) -alumel-; etc. La protección frente al ambiente se logra mediante una capsula, normalmente de acero inoxidable. La velocidad de respuesta y la robustez de la sonda vendrán afectadas por el espesor de dicha vaina. El silicio y el germanio presentan también propiedades termoeléctricas, si bien hasta ahora han encontrado más aplicación como refrigeradores (elementos Peltier) que como temopares de medida. En el cuadro se recogen las características de algunos de los termopares más comunes y su designación de acuerdo con las normas ANSI.

Para medir la temperatura de superficies, hay modelos fabricados con tecnología de capa fina.

Termopares más comunes

Los termopares J son versátiles y de bajo coste. Se pueden emplear en atmósferas oxidantes y reductoras. Se aplican a menudo en hornos de combustión abiertos a la atmósfera. Los termopares K se emplean en atmósferas no reductoras y, en su margen de medida, son mejores que los de tipo E, J y T cuando se trata de medir en atmósfera oxidantes. Los termopares T resisten la corrosión, de modo que se pueden emplear en atmósferas de alta humedad. Los termopares E son los de mayor sensibilidad y resisten la corrosión por debajo de 0°C y las atmósferas oxidantes. Los termopares N resisten la oxidación y ofrecen mejor estabilidad a altas temperaturas. Los termopares con metales nobles (B, R y S) tienen muy alta resistencia a la oxidación y a la corrosión.

Los tipos de termopares los podemos identificar con un código de colores, el cual varia dependiendo del país del fabricante:

Construcción de Termopares

Según la aplicación, se dispone de distintos tipos de uniones:

Distintos tipos de uniones de termopar y sus vainas.

a) unión soldada en extremos

b) unión soldada en paralelo

c) hilo trenzado

d) termopar expuesto: respuesta rápida

e) termopar encapsulado: aislamiento eléctrico y ambiental

f) termopar unido a la cubierta: aislamiento ambiental

Las uniones desnudas se emplean para medidas estáticas, pero son frágiles, o de flujos de gases no corrosivos donde se requiere un tiempo de respuesta rápido. Las uniones aisladas se emplean para medir en ambientes corrosivos donde además interese aislamiento eléctrico del termopar. Éste queda entonces encerrado por la vaina y aislado de ésta por un buen conductor térmico como el aceite, mercurio o polvo metálico. Si se desea respuesta rápida y no hace falta una vaina gruesa. se emplean aislantes minerales como polvo de MgO, Al2 O3 o BeO. Según el grado de compactación del aislante, la respuesta final es más o menos lenta y la temperatura máxima soportada es también distinta. Los termopares aislados también se aplican en medidas a alta presión.

Mediante uniones puestas a masa, se pueden medir temperaturas estáticas o de flujos de gases o líquidos corrosivos y, como la unión está soldada a la vaina protectora, la respuesta térmica es más rápida. Pero si la masa es ruidosa, no sirve y hay que aislar térmicamente el termopar. Además, la mayor masa del sensor implica un mayor error por conducción térmica.

Normas de aplicación práctica por los Termopares

·         Ley de los circuitos homogéneos

La medición de temperaturas mediante termopares, además de las ventajas e inconvenientes expuestos anteriormente, está sujeta a una serie de leyes verificadas experimentalmente, que simplifican en gran manera el análisis de circuitos con termopares.

En un circuito de un único metal homogéneo, no se puede mantener una corriente termoeléctrica mediante la aplicación exclusiva de calor aunque se varíe la sección transversal del conductor.

En la figura anterior se presenta el significado de esta ley. En la figura las temperaturas T3 y T4 no cambian la f.t.e.m. debida a T1 y T2. En particular, si T1= T2 y se calientan A o B, no fluye corriente alguna. En otras palabras, las temperaturas intermedias a que pueda estar sometido cada conductor no alteran la f.t.em debida a una determinada diferencia de temperatura entre las uniones (figura 4.6b). Sin embargo, esto no significa que si hay distintas temperaturas a lo largo de un circuito se tengan que emplear necesariamente hilos de extensión largos iguales a los del termopar. Se emplean los denominados cables de compensación, los cuales son de metales que, siendo más económicos que los del termopar, no presentan f.t.e.m. significativas. Son, sin embargo, de 3 a 4 veces más caros que los cables de cobre.

·         Ley de los Metales Intermedios 

La suma algebraica de las f.t.e.m. en n circuito compuesto de un número cualquiera de metales distintos es cero si todo el circuito está a una temperatura uniforme. Esto significa que se puede intercalar un instrumento de medida sin añadir errores, siempre y cuando las nuevas uniones estén a la misma temperatura.

El instrumento se puede intercalar en un conductor o un una unión. En el siguiente cuadro se dan las fuerzas termoelectromotrices de diversos metales y aleaciones respecto al cobre, que es el elemento de conexión más común en circuitos electrónicos. El elevado valor correspondiente al óxido de cobre indica claramente la necesidad de mantener los contactos limpios.

Un corolario de esta ley es que si se conoce la relación térmica de dos metales distintos con un tercero, se puede encontrar la relación entre los dos primeros. Por lo tanto, no hace falta calibrar todos los posibles pares de metales para conocer la temperatura correspondiente a la f.t.e.m. detectada con una par determinado. Basta con conocer su comportamiento con un tercero. Se ha convenido en tomar el platino como referencia.

·         Ley de las temperaturas sucesivas o intermedias

Si dos metales homogéneos distintos producen una f.t.e.m E1 cuando las uniones están a T1 y T2 y una f.t.e.m E2 cuando las uniones están a T2 y T3 la f.t.e.m. cuando las uniones estén a T1 y T2 será E1 + E2. Esto significa, por ejemplo, que la unión de referencia no tiene por qué estar a 0°C sino que puede usarse otra temperatura de referencia.

Aplicando las leyes anteriores se pueden analizar fácilmente circuitos como los de la siguiente figura. En el caso a se trata de la conexión serie de varios termopares, constituyendo una termopila. Es fácil comprobar que aumenta la sensibilidad respecto al caso de un solo termopar. En el caso b la conexión es un paralelo, y se detecta la temperatura media si todos los termopares son lineales en el margen de medida y tienen la misma resistencia.

Conexión de termopares en serie. Conexión de termopares en paralelo.

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.

Medida de temperatura con dos uniones a temperatura constante, basada en hilos de conexión de metales comunes.

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 estandar de termopares

Pasos a seguir para la utilización de las tablas:

Medir con el voltímetro el voltaje que entrega la termocupla.

Ahora ver en una tabla de termocuplas a que temperatura corresponde el voltaje.

Sumarle a esta temperatura encontrada en la tabla, la temperatura de ambiente (temperatura del contacto de las puntas del voltímetro con los cables de la termocupla) para hacer la compensación de cero.

Sensores piezoeléctricos

Son untito de sensores generadores que siguen el principio de aparición de una polarización eléctrica en un material al deformarse bajo la acción de un esfuerzo. También este efecto esta relacionado con la estructura cristalina del material.

Sensores piroeléctricos

Están relacionados con la aparición de cargas superficiales en una direccion determinada cuando el material es expuesto a un cambio de temperatura. Se usan para medir la radiación termica a temperatura ambiente.

Sensores fotoeléctricos

Son aquellos dispositivos en los cuales se modifica la barrera de potencial cuando incide sobre estos un foton permitiendo el paso de los electrones.

SENSORES MODULADORES 

1.      Sensores resistivos.

Son aquellos sensores basados en la variación de la resistencia eléctrica, es decir, para una variación física se puede obtener una variación en la resistencia del sensor utilizado.  Esto se debe a que gran cantidad de materiales varían su resistencia ante los cambias físicos.

1.1.   Potenciómetros (Variables mecánicas)

Un potenciómetro es un resistor al que le puede variar el valor de su resistencia. De esta manera, indirectamente se puede controlar la intensidad de la corriente que hay por una línea si se conecta en serie, o la diferencia de potencial de hacerlo en paralelo.

Normalmente, los potenciómetros se utilizan en circuitos con poca corriente, para potenciar la corriente, pues no disipan apenas potencia, en cambio en los reostatos, que son de mayor tamaño, circula más corriente y disipan más potencia.

1.2.   Galgas extensométricas (Variables mecánicas)

Las galgas extensométricas se basan en la variación de la resistencia de un conductor o un semiconductor cuando es sometido a un esfuerzo mecánico. Si se considera un hilo metálico de longitud l, sección A y resistividad r, su resistencia eléctrica R es:

Si se le somete a un esfuerzo en dirección longitudinal, cada una de las tres magnitudes que intervienen en el valor de R experimenta un cambio y, por lo tanto, R también cambia de la forma:

El cambio de longitud que resulta de aplicar una fuerza F a una pieza unidimensional, siempre y cuando no se entre en la zona de fluencia viene dado por la ley de Hooke:

Donde E es una constante del material, denominada módulo de Young, s es la tensión mecánica y e es la deformación unitaria. e es adimensional, pero para mayor claridad se suele dar en “microdeformaciones”.

Si se considera ahora una pieza que además de la longitud l tenga una dimensión transversal t, resulta que como consecuencia de aplicar un esfuerzo longitudinal no solo cambia l sino también lo hace t. La relación entre ambos cambios viene dada por la ley de Poisson, de la forma:

1.3.   Termorresistencias (Variable térmicas)

La termorresistencia trabaja según el principio de que en la medida que varía la temperatura, su resistencia se modifica, y la magnitud de esta modificación puede relacionarse con la variación de temperatura.

Las termorresistencias de uso más común se fabrican de alambres finos soportados por un material aislante y luego encapsulados. El elemento encapsulado se inserta luego dentro de una vaina o tubo metálico cerrado en un extremo que se llena con un polvo aislante y se sella con cemento para impedir que absorba humedad.

La relación fundamental para el funcionamiento será así:

donde R0 es la resistencia a la temperatura de referencia y T el incremento de temperatura respecto a la de referencia. La variación de resistencia se debe tanto al cambio de resistividad como al cambio de dimensiones asociados con el cambio de temperatura.

1.4.   Termistores (Variables térmicas)

El término termistor es una castellanización del inglés thermistor, formado a partir de los vocablos “thermally sensitive resistor”. Son resistores variables con la temperatura, pero no están basados en conductores como las RTD, sino en semiconductores. Si su coeficiente de temperatura es negativo se denominan NTC (Negative Temperature Coefficient), mientras si es positivo se denominan PTC (Positive Temperature Coefficient). Los símbolos respectivos son los de la figura, donde el trazo horizontal en el extremo de la línea inclinada indica una variación no lineal.

En el caso de una NTC la ecuación característica será:

B = temperatura característica del material (2000 K a 5000 K); R₀ = Resistencia a la temperatura de referencia T₀, normalmente la temperatura ambiente (25 °C o 298 K).

Tiene como ventajas el ser más sensible que las Termorresistencias, mas rápidas y permite hilos de conexión mayores.Tiene como desventaja el ser no lineal, y al variar su temperatura por el autocalentamiento del material.

1.5.   Magnetorresistencias (Variable magnéticas)

Las magnetorresistencias se basan en la variación de resistencia en un conductor por variaciones en el campo magnético. Este efecto se denomina efecto magnetorresistivo y fue descubierto por Lord Kelvin en 1856. Este tipo de sensores tiene la ventaja con respecto a los sensores inductivos, por ser de orden cero, y con respecto a los sensores de efecto Hall por ser más sensible y proveer un mayor margen de medición de medición. Está formada por una aleación de Hierro y Níquel (permalloy).

Tiene las siguientes aplicaciones la medición de campos magnéticos en las lectoras de tarjetas. 

Asi como otras magnitudes que provean un cambio en el campo magnético, como el desplazamiento de una pieza, detectores de proximidad, nivel de flotador, etc. En estos casos se utiliza un imán que cambia su posición con el proceso. El campo generado por el imán es medido por la magnetorresistencia

1.6.   Fotorresistencias (Variables ópticas)

Las fotorresistencias o fotoconductores se basan en la variación de la resistencia eléctrica de un semiconductor al incidir en él radiación óptica (radiación electromagnética con longitud de onda entre 1mm y 10 nm).

La conductividad eléctrica de un material depende del número de portadores en la banda de conducción. En un semiconductor, a baja temperatura la mayor parte de los electrones están en la banda de valencia, y se comporta casi como un aislante. Pero al aumentar la temperatura y con ella la agitación de los electrones,

Dado que las bandas de valencia y de conducción están próximas, (a diferencia de lo que sucede en un aislante), cada vez hay más electrones que saltan de la banda de valencia a la de conducción., aumentando la conductividad. Si el semiconductor está dopado, este salto es aún más fácil.

La energía necesaria para producir el salto puede venir de otras fuentes externas además del calor, como puede ser una radiación óptica o una tensión eléctrica. En el caso de la radiación óptica, su energía, E, y frecuencia, f, están relacionadas mediante la expresión:

Donde h = 6,62 x 10^-34 Ws² es la constante de Planck. Entonces si la radiación tiene energía suficiente para permitir el salto de los electrones de una a otra banda, pero sin exceder el umbral necesario para que se desprendan del material, se tendrá efecto fotoeléctrico interno o fotoconductor, y a mayor iluminación mayor será la conductividad. Si se excediera dicho umbral, se tendría efecto fotoeléctrico externo. En el caso de un conductor, la conductividad es de por sí tan alta que el cambio debido a la incidencia de la radiación apenas de nota.

1.7.   Higrómetros resistivos (Variables químicas)

El higrómetro se utiliza para medir humedad. Se basan en la variación de resistencia que experimentan los materiales por la humedad, como el vapor de agua en un gas o el agua absorbida en un líquido o sólido.

Un material típico es el aislante eléctrico, el cual disminuye su resistencia al aumentar su contenido de humedad.

 1.8.   Acondicionamiento: Puente de Wheastone, Amplificador de Instrumentación.

Los sensores resistivos deben ser conectados a circuitos de interfaz adecuado para poder aprovechar o medir el parámetro variado.

Tradicionalmente no se suele medir la resistencia que varía, sino la variación de otro parámetro que depende de esta, como la tensión, la corriente o la frecuencia.

Los métodos de acondicionamiento se clasificarán en tres grupos:

a.       Divisor de tensión.

Un divisor de tensión es una interfaz formada por una combinación serie de un resistor y un sensor, alimentados por una fuente de fija de tensión o corriente. Puede darse el caso que el sensor forme conforme la asociación serie de estos dos dispositivos.

b.      Puente de Weatstone

El puente de Wheatstone es un dispositivo orientado a corregir parte del problema que presenta la configuración anterior: Linealidad y sensibilidad.

c.       Amplificadores para puente de sensores.

Se denomina amplificador de instrumentación a aquel dispositivo que tenga simultáneamente alta impedancia de entrada, alto rechazo del modo común, ganancia estable y variable con una sola resistencia, y que no se contraponga ganancia-ancho de banda, tensión y corriente de fugas bajas, bajas derivas, impedancia de salida baja.

2.      Sensores de reactancia variable

Son aquellos sensores que varían su reactancia, en función de  la variación de una variable física, la variación de la reactancia de un componente o circuito ofrece alternativas de medida a las disponibles en sensores resistivos. Muchas de ellas no requieren contacto físico con el sistema donde se va a medir, o bien tienen un efecto de carga mínimo.

Los sensores de reactancia variable tiene las siguientes ventajas con respecto a los resistivos:

a.       Efecto de carga mínimo o nulo.

b.      Ideales para la medida de desplazamientos lineales y angulares y para la medida de humedad.

c.       La no-linealidad intrínseca puede superarse usando sensores diferenciales.

Como limitación tiene que la máxima frecuencia de variación admisible en la variable medida debe ser menor a la frecuencia de la tensión de alimentación empleada.

2.1.   Sensores Capacitivos

2.1.1.      Condensador variable

Un condensador eléctrico consiste en dos conductores separados por un dieléctrico (sólido, líquido o gaseoso), o el vacío. La relación entre la carga, Q, y la diferencia de potencial, V, entre ellos viene descrita por su capacidad, C=Q/V. Esta capacidad depende de la disposición geométrica de los conductores y del material, dieléctrico, dispuesto entre ellos, C=C(e,G).

Por ejemplo, para un condensador formado por n placas planas paralelas iguales con area A, distancia d entre cada par, y un material entre ellas con constante dieléctrica relativa er, la capacidad aproximada es:

Los problemas que presenta este tipo de medidor es que.

a.       No se puede despreciar el efecto de los bordes .

b.      El aislamiento entre placas debe ser alto y constante.

c.       Existen muchas interferencias capacitivas.

d.      Los cables de conexión generan condensadores parásitos.

2.1.2.      Condensador diferencial

Un condensador diferencial consiste en dos condensadores variables dispuesto físicamente de tal modo que experimenten el mismo cambio pero en sentido opuesto, si se considera:

Mediante un acondicionador adecuado de la señal se salida, se logra que ésta sea lineal, y además hay un aumento de la sensibilidad con respecto al caso de un condensador simple.

2.2.   Sensores inductivos

La inductancia de un circuito indica la magnitud del flujo magnético que concatena debido a una corriente eléctrica. Si se trata de una corriente circulando por el propio circuito, se habla de autoinductancia, L. En caso contrario, se habla de inductancia mutua.

La inductancia se puede expresar como:

donde N es el número de vueltas del circuito, i la corriente y f el flujo magnético. Este último está relacionado con la fuerza magnetomotriz M y con la reluctancia magnética R, de la forma:

Para una bobina de sección A y de longitud l mucho mayor que sus dimensiones transversales, R viene dada por:

donde mr es la permeabilidad relativa del núcleo de la bobina, lo el recorrido de las líneas de campo en el aire

(fuera de la bobina) y Ao la sección transversal del camino recorrido. La aproximación indicada se basa en que Ao es muy grande.

La aplicación de una inductancia variable a la transducción está sujeta también a una serie de limitaciones. En primer lugar, los campos magnéticos parásitos afectan a L, por lo que puede ser necesario disponer de un apantallamiento magnético a su alrededor para que los cambios observados sean sólo debidos al fenómeno a detectar.

La relación entre L y R no es constante sino que varía hacia los extremos del dispositivo pues el campo deja de ser uniforme. El flujo magnético disperso es mayor que el flujo eléctrico disperso en los conductores. Esto limita el alcance de medida para una longitud determinada y es una fuente de interferencias para otros dispositivos o circuitos de las proximidades.

2.2.1.      Reluctancia variable

Un sensor de reluctancia variable es un dispositivo que funciona por deflección mecánica, ya que mueve un resorte por presión-fuerza-aceleración, midiendo estas variables al alterar el circuito magnético que tiene dentro de éste.

2.2.2.      Inductancia mutua (LVDT)

El dispositivo más utilizado con este principio es el transformador diferencial de variación lineal (LVDT por sus siglas en inglés). Se basa en la variación de la inductancia mutua (acoplamiento inductivo) entre un primario y cada uno de dos secundarios, al desplazarse a lo largo de su interior un núcleo ferromagnético, arrastrado por un vástago no ferromagnético, acoplado a la pieza cuyo movimiento se desea medir.

2.2.3. Acondicionamiento

Para el acondicionamiento de los sensores inductivos se suele utilizar los divisores de tensión y puentes de alternas vistos para los sensores capacitivos.

Para el LVDT habrá que utilizar un amplificador de portadora y detección coherente.

Como su salida es de suficiente amplitud no suelen requerir de amplificación. Una alternativa es usar rectificadores de media onda u onda competa, y restar el resultado. 

3.      Sensores electromagnéticos

Son aquellos dispositivos en los que una magnitud física puede producir una alteración de un campo magnético o de un campo eléctrico, sin que se trate de un cambio de inductancia o de capacidad. En este apartado se tratan algunos de los más habituales.

3.1.   Basados en la ley de Faraday

En un circuito o bobina con N espiras que abarque un flujo magnético f, si éste varía con el tiempo se induce en él una tensión o fuerza electromotriz, e, que viene dada por:

El flujo f puede ser variable de por si (por ejemplo, cuando es debido a una corriente alterna), o bien puede ser que varíe la posición del circuito con respecto al flujo siendo éste constante. Los tacómetros de alterna son del primer tipo, mientras que los tacómetros de continua, los medidores de velocidad lineal y los caudalímetros electromagnéticos son del segundo tipo.

3.2.   Basados en el efecto Hall

La dependencia de la presión (efecto piezorresistivo) es un factor a ser considerado sobre todo por el fabricante al encapsular el componente, puesto que para el usuario es fácil adoptar precauciones al respecto.  La temperatura tiene un efecto doble. Por una parte, afecta a la resistencia que presenta el elemento, por lo que si se alimenta a tensión constante la corriente de polarización, I, variará con la temperatura, y con ella la tensión de salida, VH. Por esta razón, es preferible alimentar a corriente constante que a tensión constante.  Por otra parte, la temperatura afecta a la movilidad de los portadores mayoritarios y, por lo tanto, a la sensibilidad. Dado que estos dos efectos tienen signo opuesto, es posible su compensación con un circuito adecuado. En cualquier caso, siempre conviene limitar el valor de la corriente de control para evitar autocalentamiento.

Otra limitación importante en aplicaciones de precisión es la presencia de una tensión de desequilibrio (offset), que es la tensión obtenida con campo magnético nulo, a pesar de tener los electrodos bien centrados en las caras. Se debe a inexactitudes físicas y no uniformidades en la materia, y puede ser de hasta 100mV cuando se alimenta a 12V. La solución incorporada en algunos elementos consiste en disponer un electrodo de control adicional por el que se inyecta la corriente necesaria para tener una salida nula en ausencia de campo magnético. En otros campos se emplean dos sensores Hall conectados en paralelo y cuyas corrientes de polarización circulen en sentido contrario. 

Frente a otros sensores sensibles a un campo magnético, los elementos Hall tienen la ventaja de que su salida es independiente de la velocidad de variación del campo detectado. En los sensores inductivos, cuando la velocidad de variación del flujo es lenta, la salida es muy pequeña. 

Comparados con los sensores basados en un emisor y detector óptico, los elementos Hall ofrecen las ventajas de ser inmunes a las condiciones ambientales (contaminación por polvo y humedad, vibraciones), y de tener características constantes. En un par emisor-detector óptico, la luz del emisor con el tiempo.  La ausencia de contactos, cuando se aplican a la detección de movimientos, les confiere mayor robustez que la que tienen los sensores donde aquéllos están sometidos a desgastes y son una fuente de interferencia por la presencia de arcos eléctricos.