termopar sensor

Víctor Acevedo Saavedra

UNIVERSIDAD PERUANA DE LAS AMERICAS

PROGRAMACION DE MICROCONTROLADORES

ING. VICTOR ACEVEDO SAAVEDRA Reg. CIP 105402

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA DE COMPUTACION Y SISTEMAS

UNIVERSIDAD PERUANA DE LAS AMERICAS

SENSORES Y TRANSDUCTORES

ING. VICTOR ACEVEDO SAAVEDRA Reg. CIP 105402

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA DE COMPUTACION Y SISTEMAS

Termistores NTC´s

• NTC: Negative Temperature Coefficient – La resistencia disminuye con la temperatura

• Basadas en semiconductores – Óxidos de Cobre, Níquel, Manganso, etc.

• También se conocen como termistores

• Símbolo

• R0: Resistencia a T0 (normalmente 25ºC)

• B: Temperatura característica (en K)

• T: Temperatura en cuestión

• T y T0 en K

T e R R

Termistores NTC´s

• R0:

-60/50ºC 50/150ºC

150/300ºC

Margen de medida R0

100/1K (25ºC) 2K/75K (25ºC)

100K/500K (25ºC)

• B: entre 1500 y 7000 grados K

• Sensibilidad :

• Margen de medida desde -60ºC hasta 300ºC – A temperaturas inferiores R es muy elevada

– A temperaturas superiores la sensibilidad es muy baja

- = × = a -3/-5 %ºC-1 (25ºC)

-6,4/-11,3 %ºC-1 (-60ºC)

-2,1/-3,7 %ºC-1 (100ºC)

Termistores NTC´s

• La temperatura se modifica por autocalentamiento

U I R T P R T T a a × × + = × + = θ θ

Por lo tanto

– T: Temperatura de la NTC (en K)

– Ta: Temperatura del entorno (en K)

– R : Resistencia térmica (ºC/W)

– P: Potencia que disipa

– I: Corriente

– U: Tensión

T I U R T B

a e R R

Termistores NTC´s

• Corrientes pequeñas: (aplicación: medida de temperatura)

• Corriente medias:

(aplicación: medida caudal)

• Corrientes grandes:

a e R R

T I U R T B

a e R R

Resistencia negativa

a e R R

Termistores NTC´s

Us ¡¡Zona lineal!!

• Circuito de medida típico

Termistores NTC´s

Linealización en torno al punto central de medida

TC TH TL Rango de medida

• Obtención de R1 – Se linealiza alrededor del punto de

inflexión de la curva en S

• Obtención de U (alimentación) • U alta: autocalentamiento

• U baja: baja sensibilidad

– Error autocalentamiento T

C R T B T B

R × + -

T R U max

D × =

( ) potencia P P R T : θ × = D

( ) T max max

R R cuando P R

Termistores NTC´s

Rango de medida

• Sensibilidad:

– Para T=TC:

1 ) ( T

dU T S

– Recta de calibración

T T S T U T U C C S S

– Error máximo. Suma de:

– Error de autocalentamiento

– Error en los extremos de medida (error de linealidad)

Zonas de máximo error de linealidad

Recta de calibración

Termistores NTC´s

• Otra recta de calibración

– Menor error en los extremos

– Mayor error en el centro T

Us(TC)

TC TH TL

Recta de calibración

Us(TL)

• Otra forma de determinar R1

– Menor error en los extremos

– Mayor error en el centro

T (ºC)

Termistores NTC´s

Supresión del offset

• Mediante un restador

• Mediante medida en puente

-tº U

Amplificador diferencial

Restador

Termistores NTC´s

Linealización mediante paralelizado

R1 T 1

Disminuye la sensibilidad

Obtención de R1 (forzar tres puntos de paso en la curva)

3 P 2 P 2 P 1 P T R T R T R T R

3 2 2 1 T T T T

2 T 3 T 1 T

3 T 1 T 3 T 1 T 2 T 1

T R 2 T R T R

T R T R 2 T R T R T R R

Posible circuito de medida

• Medida de temperatura

• Medidas basadas en la resistencia térmica

• Compensación de resistencias

Rmetálica (aumenta con T)

(disminuye con T)

(Se puede conseguir que el conjunto apenas dependa de T)

-tº U

Entorno de referencia

Entorno de ensayo

Entorno de referencia Medida

Remanso Corriente

Zona aireada

Vacío

CO2 Aire

Caudal

Nivel vacío

Concentración CO2

Termistores NTC´s

• PTC: Positive Temperature Coefficient

• Símbolo

• Existen dos tipos

– Regenerativas: presentan un cambio muy brusco de resistencia a una temperatura de terminada

– No regenerativas: el cambio es más gradual

Termistores PTC´s

Regenerativa

No Regenerativa

• El cambio de resistencia es muy acentuado:

(p.e: R1=100 , R2=1M )

• La temperatura de cambio suele estar entre 50ºC y 140ºC

Termistores PTC´s

• Detección de umbrales de temperatura:

• Protección de circuitos electrónicos:

Comparador

Circuito electrónico Carga

Corriente elevada

Calienta la PTC

Cambia la resistencia

“Se desconecta la carga” Funciona como un fusible, pero no se destruye

Termistores PTC´s

Sensores de ultrasonido

• Medición de distancias, obstáculos y desplazamiento (SRF05)

• Diagrama de tiempos y modos de operación 1

• Diagrama de tiempos y modos de operación

• Diagrama de tiempos y modo de operación 2

• Haz de emisión

Transductores de temperatura

• La temperatura es una variable importante en el

ámbito biomédico:

– Estado general del paciente

– Muestra el resultado de reacciones

– Da indicios de procesos infecciosos

– Algunas fenómenos se dan a temperaturas específicas

Termocuplas

• Utiliza la diferencia de potencial generada por la unión de dos metales

• http://www.efunda.com/DesignStandards/sensors/thermocouples/thmcple_intro.cfm

Termocuplas

• La temperatura se mide con respecto a una referencia llamada juntura fría o baño helado

Termocuplas

• Voltaje de Seebeck (1821)

ricatermoeléctadSensibilid

scentígradogradosT

Termocuplas

• Tipos de termocuplas

http://www.sapiensman.com/medicion_de_temperatura/termocuplas.htm Víctor Acevedo Saavedra

Termocuplas

• Respuesta de las termocuplas

Termómetro de resistencia • Los metales cambian sus resistencia con la

temperatura

Termómetro de resistencia de platino

Termómetro de resistencia • Generalmente se montan como un brazo del puente

de Wheatstone

TaadresistividladetempdeeCoeficient

CTatemperaturlaaRR

Termistores

• Resistencias semiconductoras variables con temperatura, poseen coeficiente térmico más alto.

Termistores

• Tienen buena sensibilidad y estabilidad

KmaterialdelConst

KTatemperaturlaaRR

Termistores

• Curvas características

Autocalentamiento

Termistores

• Linealización del termistor

rangodelmediaatemperaturlaaRR

paraleloenRR

Termistores

• Aplicaciones

Temperatura oral Temperatura piel en neonatos

Termistor/termopar para estudios de sueño

Termometría de radiación

• Definición y ecuaciones

)(1044.1

)/(1074.3

negrocuerpoemisividad

KnegrocuerpodeTempT

ondadelongituddeunidadpor

áreadeunidadporradianteFlujoW

• Gráfica de espectros de radiación

emisividad

KcmwBoltzmannStefandeCte

radiantetotalPotenicaW

)/(1067.5

• Sistema de medición

Sensores de temperatura en Circuitos integrados

• Diodo semiconductor

• LM35/LM135/LM335

• AD590

Sensores de fibra óptica • Utilizan la propiedad de absorción de energía

dependiente de la temperatura por parte del GaAs.

Fibra transmisión

Fibra recepción

Resina epóxica

Sensor GaAs

0.25 mm

Píldora termosensitiva • Emplean un oscilador piezoeléctrico cuya frecuencia

varía en función de la temperatura

Transductores de fuerza • Diversas aplicaciones en biomédica

Transductores de fuerza • Piezoeléctricos

cristaldelAnchox

adieléctricConst

áreadeunidadporQD

Transductores de fuerza

• Piezorresistivos

Transductores de fuerza

• Piezorresistivos: Piezomed

Transductores de fuerza • Celdas de carga: Aplicación de strain-gages

Transductores de fuerza • Celdas de carga gráficas comerciales

• DEFINICIÓN Y FUNDAMENTO FÍSICO

RTD: Resistance Temperature Detector

INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA

MODELO MATEMÁTICO

nTTTRR ...1 2

R Resistencia medida. R0 Resistencia a la temperatura de referencia. T Incremento de temperatura respecto a la de referencia. Coeficiente de temperatura de la resistencia. Depende tanto del

cambio de resistividad como al cambio de dimensión debido al cambio de temperatura.

TRR 10 1

MODELO MATEMÁTICO

METALES RESISTIVIDAD ( ) COEFICIENTE TÉRMICO ( )

Cobre 1,68·10-8

4,3·10-3

Níquel 6,84·10-8

7·10-3

Platino 10,6·10-8

3,9·10-3

Wolframio 5,6·10-8

4,5·10-3

TRR 10 1

CURVAS DE CALIBRACIÓN

CONDICIONES DE MEDIDA

- No autocalentamiento.

- No deformaciones mecánicas.

- No gradientes de temperatura.

- No derivas de tiempo

PD Potencia disipada. T Incremento de T. Representa el error por autocalentamiento. Coeficiente disipación térmica.

hlMóduloBiot

h Coeficiente de transmisión de calor. l Dimensión menor del sólido. k Coeficiente de conductividad térmica.

AUTOCALENTAMIENTO

PD Potencia disipada. t Incremento de T. Representa el error por autocalentamiento. Coeficiente disipación térmica.

R Resistencia térmica de la RTD con el medio. I Valor efectivo de la corriente. Rt Resistencia de la RTD a la temperatura t. Ta Temperatura ambiente.

ta RIRttt ·· 2

• TIPOS DE RTD

TIPOS DE RTD

FORMA CONSTRUCTIVA

TAMAÑO

CARACTERÍSTICAS DEL MEDIO

TIPO DE METAL UTILIZADO

VALOR DE R0

PRECISIÓN

FORMA CONSTRUCTIVA

TAMAÑO

CARACTERÍSTICAS DEL MEDIO

MATERIAL UTILIZADO

METALESRESISTIVIDAD

COEFICIENTE

TÉRMICO ( )

DIÁMETRO MÍNIMO

DEL HILO

PRECISIÓN

m K-1 mm ºC

Platino 10,6·10-8

3,9·10-3 -200 950 0,05 0.01

Níquel 6,84·10-8

7·10-3 -150 300 - 0.50

Cobre 1,68·10-8

4,3·10-3 -200 120 - 0.10

INTERVALO ÚTIL DE

TEMPERATURA

VALOR R0

METALESMARGEN ÚTIL DE

TEMPERATURACOEFICIENTE TÉRMICO ( )

Balco 25, 100, 400, 500, 1000 y 2000

Cobre 10, 50, 100, 1000 y 2000

Níquel 120, 1000

Platino 10, 100, 1000

Wolframio 100, 1000 y 2000

PRECISIÓN

RC21-4-1966 SAMA

(Scientific Apparatus Makers Association)

DIN 43760-1968

(Deutsches Institut für Normung)

IEC 751

UNE-EN60751

PRECISIÓN

CLASE DE TOLERANCIA PT100 SEGÚN

IEC 751:1995+ ºC [ 0 ºC] + Ω [ 0 ºC]

A 0,15 0,06

B 0,30 0,12

1/3 Clase B 0,10 0,04

1/5 Clase B 0,06 0,021/10 Clase B 0,03 0,01

PUENTE WHEATSTONE ALIMENTADO CON TENSIÓN

tRVVVV abs

3021 rRrRRR

trVVsL %100

1%100%

trVVsL

PUENTE WHEATSTONE ALIMENTADO CON TENSIÓN

dVS LS

PUENTE WHEATSTONE ALIMENTADO POR CORRIENTE

trrRReq

trRIVS

%10012

%100%r

dVS SL

CONEXIÓN A 3 HILOS

CONEXIÓN A 4 HILOS

CONEXIÓN A 2 HILOS

OTROS CIRCUITOS ACONDICIONADORES

RVVS 1

(a) (b) (c)

OTROS CIRCUITOS ACONDICIONADORES

(a) (b) (c)

tRIGRIGVS 00

tRIGRIGVVGVS 0021

tRIGRIGVS 00

APLICACIONES

- Medida de temperaturas.

- Aplicaciones domésticas.

- Automovilismo

- Aplicaciones industriales (Control de Procesos).

RTD COMERCIALES

- SENSORES Pt100

Alto coeficiente de temperatura

Alta resistividad

Relación lineal entre resistencia

Rigidez y ductilidad del material

Estabilidad de sus características en su vida útil

RTD COMERCIALES: Pt 100

RTD COMERCIALES

RTD COMERCIALES: Sensor de níquel

APLICACIÓN CONTROLADOR DE AIRE ACONDICIONADO

DISTRIBUIDOR SIEMENS

LOCALIZACIÓN MULTINACIONAL (ESPAÑA)

WEB www.eci.siemens.com

SENSORES NECESARIOSNI1000

PRECIO INDETERMINADO

APLICACIÓN DETALLADA

Control de calor, frío y humedad de un aparato de aire acondicionado.

RTD COMERCIALES: Catálogo

VENTAJAS RTD TERMISTOR SENSOR IC TERMOPAR

MÁS ESTABLE ALTO RENDIMIENTO EL MÁS LINEAL AUTOALIMENTADO

MÁS PRECISO RÁPIDO EL DE MAYOR RENDIM. ROBUSTO

MÁS LINEAL TERMOPAR MEDIDA 2 HILOS ECONÓMICO ECONÓMICO

DESVENTAJAS RTD TERMISTOR SENSOR IC TERMOPAR

CARO NO LINEAL LIMITADO A T<250 ºC NO LINEAL

LENTO RANGO T LIMITADO LENTO BAJA TENSIÓN

PRECISA FUENTE AL. PRECISA FUENTE AL. PRECISA FUENTE AL. PRECISA REFERENCIA

PEQ. CAMBIO RESIST. FRÁGIL CONFIG. LIMITADAS MENOS ESTABLE

MEDIDA 4 HILOS AUTOCALENTABLE AUTOCALENTABLE MENOS SENSIBLE

AUTOCALENTABLE

AMPLIA VARIEDAD

FORMAS FÍSICAS

AMPLIA GAMA DE

TEMPERATURAS

INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA

COMPARACIÓN

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