medida de la temperatura

8/8/2019 Medida de La Temperatura

1/43

1

1

Leccin 8

Medida de la temperatura

8.1 Introduccin

8.2 CI semiconductores

8.3 Termistores

8.4 RTDs

8.5 Termopares8.6 Pirmetros de radiacin

F. J. Ferrero-2006


2/43

2

2

0 a +200C

No lineales

Autocalentamiento

Requiere excitacin

Salida alta

Rpidos

Baratos

Alta sensibilidad

-200 a 850C

Requiere excitacin

Pequeo R

Baja R absoluta

Autocalentamiento

Estabilidad

Exactitud

Mas lineales que

termopar

-55 a 150C

Requiere fuente

de excitacin

Lineales: 1C

10mV/K o 1A/K

Exactitud: 1C

Repetibilidad: 0-1C

Autocalentamiento

No lineales

Tensin salida baja

Compensacin

unin fra

Estabilidad

-184 a 2300C

Robustos

Variedad

Repetibilidad

Generador

V

T

TermoparTermistor

R

T

CI semiconductor

V (I)

T

RTD

R

T

8.1 Introduccin


3/43


4/43

4

4

( )O N kTV V-V ln Nq

= =

I

CI semiconductor

V VN

R Vo

Los circuitos anteriores no se pueden utilizar por si slos debidos a la fuerte

dependencia de IS con la temperatura, pero si tenemos que la corriente IC es

igual en un transistor BJT y en los N BJTs entonces la diferencia de potencial

entre V y VN ser proporcional slo a la temperatura absoluta.

El circuito de la figura permite obtener dicha diferencia de potencial. Consta

de N+1 transistores NPN, una resistencia estable a la temperatura y un espejo

de corriente PNP. El circuito se completara con la circuitera necesaria para

conmutar los transistores a ON cuando se aplica una tensin.


5/43

5

5

Alimentacin: 4V a 30V

Ganancia: 10 mV/C (LM35); 1,0 A/K (AD590)

Margen de temperatura: -55C a 150C

Exactitud: 0,5 1 C

LM35

+Vcc

-+

10mV/C

Salida analgica

AD590 I =1A/K

+ Vcc

10k

(0,1%)

La figura muestra dos ejemplos de sensores comerciales con salida analgica

proporcional a la temperatura, uno con salida en tensin, el LM35 de National

Semiconductor y otro con salida en corriente, el AD590 de Analog Devices. El

sensor con salida en corriente es particularmente adecuado en ambientes

industriales con altos niveles de ruido elctrico. En la transmisin de informacin

en bucle de corriente se tiene una relacin S/N mejor que en tensin. La

resistencia que lee la corriente ha de ser estable termicamnete y de alta

precisin (0,5 0,1%).


6/43

6

6

Sensor de

temperatura

TMP05

Modulador

digital

C

Timer

TH

TL

T (C) = 421 - [751x(TH/TL)]

Margen: -40C a +150C

Resolucin: 0,025C

Modo daisy-chain

PWM

Salida digital

El formato de seal analgica es adecuado en entornos analgicos, tales como

bucles de control de temperatura, pero cada vez ms es necesario disponer de la

salida en formato digital para su posterior procesamiento.

El formato digital ms simple es una seal PWM la cual puede ser llevada

directamente a un microcontrolador. Se puede utilizar un timer del

microcontrolador para extraer la informacin de temperatura del tren de pulsos

comparando la relacin entre el tiempo a nivel alto y a nivel bajo. Dado que es

una medida ratiomtrica, es inmune a cualquier variacin de tiempo en el

oscilador. Como ejemplo la figura muestra el TMP05 de Analog Devices. Es un

sensor de temperatura de bajo coste con salida PWM con una relacin que

cambia en respuesta a cambios de temperatura.

En algunos casos la temperatura medida debe ser aislada elctricamente (p.een aplicaciones industriales de alta tensin) donde la temperatura est siendo

monitorizada por razones de seguridad. En estos casos se puede emplear un

optoacoplador para acoplar el tren de pulsos. Si se requiere monitorizar la

temperatura en varios puntos se pueden conectar mltiples dispositivos en daisy-

chain. El circuito puede integrar adems la circutera para convertir la seal al

formato de los buses serie SPI o I2C tpicos de los microcontroladores.


7/43

7

7

Sensores resistivos de temperatura de bajo coste

NTC: Resistencia disminuye con la temperatura

PTC: Resistencia aumenta con la temperatura

8.3 Termistores

Los termistores son sensores de temperatura de tipo resistivo de bajo coste.

Se dividen en dos grupos atendiendo al signo del coeficiente de temperatura de

la resistencia:

NTC que presentan un coeficiente de temperatura negativo. PTC con un coeficiente de temperatura positivo.

Las NTCs son resistencias de material semiconductor constitudas por una

mezcla de xidos metlicos. El aumento de temperatura aporta la energa

necesaria para que se incremente el nmero de portadores capaces de moverse,

lo que lleva a un incremento en la conductividad del material, reducindose la

resistencia.

Si el dopado de impurezas es muy intenso, el semiconductor adquiere

propiedades metlicas con coeficiente de temperatura positivo (PTC) en un

margen de temperaturas limitado.


8/43

8

8

Caracterstica R-T

La figura muestra la caracterstica R-T de una NTC. Se observa que la

relacin entre la resistencia y la temperatura no es lineal, sobre todo, cuando se

considera un margen de temperatura amplio. Por otro lado vemos que la

sensibilidad es muy grande a bajas temperaturas y va disminuyendo conforme

aumenta esta. Una sensibilidad alta es una caracterstica muy deseable de

cualquier sensor; de hecho, es la mayor ventaja de los termistores frente a otros

sensores de temperatura.

La resistencia nominal de una NTC hace referencia a su valor resistivo a una

temperatura de referencia, generalmente 25 C (298 K). Los valores de

resistencia nominal ms comunes varan entre 10 y 20 M.

.


9/43

9

9

RT = Resistencia del termistor a T (K)

R0 = Resistencia del termistor a T0 (K)

B = Temperatura caracterstica del material (K)

0

1 1BT T

T 0R R e =

1 2

1 2

ln(R /R )B

1 1

T T

=

Modelo matemtico

T

2

T

dR dT B

R T = = Coeficiente de temperatura o sensibilidad

Para las NTC, en un margen de temperatura reducido (50C), la dependencia

entre RT y T se puede considerar de tipo exponencial de la forma:

RT=R0exp {B(1/T-1/T0)}

donde R0 es la resistencia a una temperatura de referencia (generalmente 25C),

y T0 es dicha temperatura expresada en kelvins. El parmetro B es la

denominada temperatura caracterstica del material, y tiene valores de 2000 K a

5000 K, pero vara con la temperatura, aumentando al aumentar esta. El valor de

B se puede encontrar midiendo la resistencia del termistor a dos temperaturas

conocidas T1 y T2.

El error cometido al emplear el modelo anterior, en el margen de 0 a 50C, esdel orden de 0,3C. Un modelo alternativo es la ecuacin empirca de Steinhart

y Hart, RT = exp {A+B/T+C/T3} o de forma equivalente:

1/T = a + blnRT + c(lnRT)3

con la que se logran errores de slo 0,01C en un margen de 100C.


10/43

10

10

Circuito de medida

O

T

RV V

R R=

+

RT

R

+V

R= 1%, pelcula metlica

V= referencia de tensin

La aplicacin ms comn de las NTC es la medida de la temperatura. La

estimacin de la temperatura puede realizarse de forma digital o analgica. En el

modo digital se usa un computador que, utilizando el modelo del termistor,

calcula el valor correspondiente de temperatura a partir de la medida del valor

resistivo de la NTC.

La forma analgica de medir la temperatura consiste en aadir una

resistencia en serie o en paralelo con el termistor para conseguir una respuesta

que se aproxime ms a la lineal. La solucin ms simple empleada para la

medida de la temperatura es el divisor de tensin de la figura. Este circuito

permite que la tensin de salida se incremente linealmente conforme lo hace la

temperatura. Puede incluirse en R la carga relacionada con el circuito externo de

medida (cables e impedancia de entrada) consiguiendo resultados ms precisos.


11/43

11

11

( )2

mx

max max

V / 2P T V 2 TR

R=

Si RT = R La NTC disipar Pmax

Clculo de R

C

cT

c

B 2TR R

B 2T

=

+

2

o

2

d v (T)0

dT= TC=(T1+T2)/2

Autocalentamiento:

Forzar un punto de inflexin en la curva R-T que est justo enel centro del margen de medida (TC)

=cte disipacin

Para una NTC dada el objetivo es encontrar un valor de R que proporcione la

mxima linealidad en el margen de temperatura de inters. Un mtodo analtico

para determinar el valor de R consiste en forzar un punto de inflexin en la curva

vo(T) que est justo en el centro del margen de medida (Tc). En el punto de

inflexin la pendiente a la curva es mxima y por tanto tambin la sensibilidad.

Este mtodo es recomendable para alcances pequeos, donde podemos

considerar B constante.

Al circular corriente por la NTC el termistor sufre un autocalentamiento y

alcanza una temperatura por encima de la del ambiente. Esto obliga a limitar el

valor de la tensin (o de la corriente) de alimentacin. El peor caso es cuando

RT=R ya que es cuando se transfiere la mxima potencia a la NTC. El valormximo de la alimentacin se calcula para que no se supere un determinado Tadmisible.

Segn se muestra en la transparencia anterior, el error de linealidad con este

mtodo es menor en el centro del margen de medida, y aumenta hacia los

extremos.


12/43

12

12

Linealizacin mediante R en paralelo

TP

T

RRR

R R=

+

RT

R

(1% pelcula metlica)

La linealizacin tambin se puede realizar conectando, en paralelo con la

NTC, una resistencia de valor adecuado. Un mtodo analtico para el clculo de

la resistencia paralelo consiste en forzar tres puntos de paso en la curva R-T.

Por ejemplo, que a tres temperaturas equidistantes, RP est sobre una recta.

Como se observa en la figura el error de linealidad es menor en las

proximidades de cada punto de ajuste.


13/43

13

13

Clculo de R

( )=

+

2p T

2

T

dR dRR

dT dTR R

= -+

p

2

p T

dR / dT B 1

R T 1 R /R

+ -=

+ -

T2 T1 T3 T1 T3

T1 T3 T2

R (R R ) 2R RR

R R 2R

Forzar tres puntos de paso en la curva R-T

Rp1 - Rp2 = Rp2 - Rp3

T1 - T2 = T2 - T3

Ms linealidad

Menos sensibilidad

Aunque Rp sigue sin ser lineal, su variacin con la temperatura es menor que

antes, por serlo el factor que multiplica a dRT/dT. El coeficiente de temperatura o

sensibilidad es menor. Es decir ha perdido sensibilidad a costa de un incremento

en la linealidad.

El valor de R se puede obtener analticamente forzando tres puntos de paso en

la curva R-T resultante, de forma que a tres temperaturas equidistantes T1-

T2=T2-T3 los incrementos de resistencia sean iguales, es decir: Rp1-RP2=Rp2Rp3.


14/43

14

14

Ejemplo

+

-

R1

RT

V1

+

-

R2

R3

R4

Vo

5V

OP07

OP07

2

3

6

7

4

+15V

-15V

2

3

67

4

+15V

-15 V

REF02

R

POT (Ganancia)

POT (Offset)


15/43

15

15

Caractersticas I-t

RT

100

V

=

pc Constante de tiempo trmica: (ms)

En otras aplicaciones la caracterstica que interesa es la que describe la

evolucin de la corriente en el termistor a lo largo del tiempo despus de

aplicarla.

La velocidad a la cual la corriente cambia ser inicialmente lenta debido a la

alta resistencia del termistor y la resistencia de la fuente. Cuando el dispositivo

comienza a calentarse la resistencia disminuye rpidamente y la velocidad de

cambio de la corriente se incrementa. Finalmente, cuando el dispositivo se

acerca a la condicin de equilibrio la velocidad de cambio de la corriente

disminuye hasta que la corriente alcanza su valor final.

Se observa que el autocalentamiento est sometido a una constante de

tiempo que supone un retardo entre la tensin aplicada y el instante en que se

alcanza el valor de corriente estacionario. La constante de tiempo trmica del

termistor () se define como el cociente entre su capacidad calorfica cp y su

constante de disipacin trmica ().


16/43

16

16

Carga

Calternativa

-t-t

-t -tRectificador

Circuitos de retardo

Supresin de transitorios

Aplicaciones

Las caractersticas I-t anteriores se aprovechan en los circuitos de retardos y

para la supresin de transistorios.

La figura muestra un circuito de proteccin contra sobrecorrientes de una

fuente de alimentacin. En el instante inicial los condensadores de filtro estn

descargados y aparecen como cortocircuitos, producindose una elevada

corriente de carga que puede llegar a fundir los fusibles de proteccin. Esta

elevada corriente puede evitarse situando un termistor en serie con el dispositivo

que se pretenda proteger. La resistencia inicial de la NTC limita la corriente de

carga y, conforme se va autocalentando, su resistencia va disminuyendo y la

corriente se va incrementando gradualmente en el circuito, protegiendo los

elementos del mismo.


17/43

17

17

T T aP V I (T T )= =

VT

(V)

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,60,5

2

4

6

8

IT (A)

Caracterstica V-I

RT

R

V

0,7

10

Medida de caudal, nivel, conductividad calorfica (vara )

Control de nivel de tensin o de potencia (vara V)

Alarmas (vara Ta)

Para algunas aplicaciones interesa la relacin entre la tensin en bornes del

termistor y la corriente a su travs. Para corrientes bajas, la tensin en bornes

del termistor es prcticamente proporcional a la corriente porque el

autocalentamiento del termistor es muy pequeo. Cuando aumenta la corriente,

el termistor sufre un autocalentamiento apreciable y alcanza una temperatura por

encima de la del ambiente, reducindose su resistencia y, por lo tanto, la cada

de tensin a su travs.

En la zona de autocalentamiento el termistor es sensible a cualquier efecto que

altere el ritmo de disipacin de calor. Esto permite aplicarlo a las medidas de

caudal, nivel, conductividad calorfica. Si la velocidad de extraccin de calor es

fija, el termistor es sensible a la potencia elctrica de entrada, y entonces se

puede aplicar al control del nivel de tensin o de potencia.


18/43

18

18

0 .0 01 0 .0 29 0 .0 57 0 .0 85 0 .1 1 0 .1 4 0 .1 7 0 .2 0 .2 2 0 .2 5 0 .2 80.01

2.51

5.01

7.51

10.01

12.51

15

17.5

20

22.5

Curva Corriente-Te ns in 1000ohm @25C

corriente [A]

tensin[V]

Ejemplo

(a)

(b)

VT = 15V -(RT+RPOT)IT

NTC

Potencimetrode control detemperaturaALARMA

AC

REL

En esta aplicacin el punto de trabajo del circuito se ve modificado por

cambios en la temperatura ambiente. En la figura (a) se muestra una NTC en

serie con la bobina de un rel. Cuando la temperatura ambiente supera un valor

preestablecido considerado como el punto de alarma de temperatura, la

resistencia de la NTC se reduce, aumentando la corriente lo suficiente como para

hacer actuar al rel. En la figura (b) se muestran grficamente los cambios en la

caracterstica V-I de termistor ante cambios en la temperatura ambiente. El punto

A es el punto de trabajo del circuito a 25C y la corriente es insuficiente para

activar el rel. A 42C, punto B, la corriente se incrementa lo suficiente como

para activar el rel.


19/43

19

19

PTC

Rmx

Rmn

TsT

2Rmn Silistor

Las PTC tienen dos tipos de comportamiento segn la composicin y el

dopado. Las de tipo cermico presentan un cambio brusco de resistencia cuando

se alcanza la temperatura de Curie. Su coeficiente de temperatura es positivo

slo en un margen concreto de temperaturas; fuera de l es negativo o casi nulo.

La temperatura de conmutacin especificada, TS, corresponde a aquella a la que

la PTC tiene una resistencia doble del valor mnimo.

Las PTC basadas en silicio dopado presentan una variacin ms suave con la

temperatura. A veces se comercializan ya linealizadas, con denominaciones

tales como silistores.


20/43

20

20

Aplicaciones

(a) (b)

+t

PTC

CARGA INDUCTIVA

RED

+tPTC

EQUIPO A PROTEGER

El incremento tan brusco de la resistencia en la PTC de tipo cermico por

encima de la temperatura de conmutacin las hace ideales en dos tipos de

aplicaciones:

Proteccin de circuitos frente a sobrecorrientes o sobretensiones.

Generacin de retardos

En la figura (a) si la corriente supera un lmite debido a un fallo, por la PTC

circular ms corriente y el efecto de autocalentamiento har que se alcance Ts y

aumente bruscamente la resistencia, limitando la corriente en el circuito. Tan

pronto como se restablezcan las condiciones normales en el circuito, el sistema

volver a su estado normal.

El circuito de la figura (b) permite eliminar la generacin de sobretensiones

que se producen en los interruptores que conmutan cargas fuertemente

inductivas. Situando una PTC en paralelo con el interruptor se evita la

sobretensin ya que la PTC permite la recirculacin de la corriente hasta que

conmuta a su zona de alta resistencia.


21/43

21

21

+t

PTCV

Carga

220V

PTC

+t

Aplicaciones

(c)

(d)

En el momento de la conexin de la alimentacin (figura c) toda la corriente

circula por la PTC debido a su bajo valor resistivo inicial, permaneciendo abierto

el interruptor del rel. Conforme se calienta, llega un momento en que se alcanza

TS; en ese instante toda la corriente pasa a circular por la bobina del rel

cerrndose su contacto.


22/43

22

22

Sensores de temperatura resistivos.

La resistencia en los metales aumenta con la temperatura

8.4 RTD

Las RTD son sensores de temperatura basados en la variacin de la

resistencia de un conductor con la temperatura. Tpicamente estn constituidos

por un hilo de platino arrollado sobre un soporte aislante de tipo cermico. La

variacin de resistencia se debe tanto al cambio de resistividad como al cambio

de dimensiones asociado con el cambio de temperatura.

En los metales, las fuerzas de atraccin de los electrones al ncleo son muy

dbiles. A una temperatura ligeramente elevada los electrones de valencia se

desligan fcilmente de sus ncleos, pasando a ser electrones libres, capaces de

moverse libremente a travs de su red cristalina, en presencia de un campo

elctrico. Se producen colisiones entre los electrones y los iones de la red

cristalina, los cuales estn vibrando alrededor de su posicin de equilibrio,

dando lugar a que la velocidad de desplazamiento, de los electrones y por su

conductividad sea menor.

Las RTD se utilizan en mltiples aplicaciones: en el sector del automvil

(medida de los gases de escape, temperatura del aire de entrada al motor,

temperatura interior y exterior), electrodomsticos, edificacin (temperatura de

los gases de la chimenea, combustin de la caldera).


23/43

23

23

Hilo bobinado (wire-wound) Pelcula fina (thin film)

Sello de

cemento

cermico

Alambre

de PtAislante

cermico

Aislamiento

de mica

Tubo de acero

inoxidable

Vidrio (soporte

de terminales)

Capa protectora

de vidrio

Pelcula de Pt

depositada

Sustrato

cermico

Tipos de RTDs

Atendiendo a su forma constructiva las RTDs pueden ser:

Hilo bobinado: el hilo conductor se bobina sobre un elemento aislante

elctrico y muy buen conductor del calor (cermica). Este bobinado permite

dilataciones del hilo al cambiar la temperatura. La bobina es empaquetada con

mica y colocada dentro de un tubo que le sirve de proteccin.

Pelcula fina: se deposita una fina capa de platino sobre un sustrato cermico,

cubierta con una pelcula de vidrio fundido que sirve de proteccin. Son de

prestaciones similares a las bobinadas y de bajo coste.


24/43

24

24

Caracterstica R-T

300

Temperatura (C)

Resistencia()

-200 -100 0 100 200 300 400 500 600

350

250

200

150

100

50

0

Pt

Ni

Cu

(Pt100)

Diversos metales pueden utilizarse en la construccin de las RTD como el

platino, el nquel o el cobre. El platino es el metal ms utilizado pues aunque el

nquel presenta mayor sensibilidad el platino es ms lineal y sobre todo tiene una

resistividad mayor. Esto ltimo permite tener una sonda con un valor hmico

suficientemente alto para permitir el empleo de hilos de conexin largos y, a la

vez, con poca masa, para tener una respuesta trmica rpida.

Los fabricantes ofrecen para cada RTD su curva de calibracin como la que

se muestra en la figura. Un valor tpico es el que presentan a 0C, que para el

platino es de 100 , lo que da origen al nombre de Pt100.


25/43

25

25

RT R0 (1 + T)

R0 = resistencia a T0

= coeficiente de temperatura ( Pt = 3,9x10-3/K)

T = incremento de temperatura respecto a T0

Modelo matemtico

Autocalentamiento:

( )2

mx

D(max) max

V / 2P T V 2 TR

R=

PD = I

2

xR=

T

Para utilizar una RTD en un sistema de medida de temperatura, generalmente

hay que hacerle pasar una corriente elctrica. Esta corriente produce una

disipacin de energa en la misma que puede hacer que su temperatura T sea

ms alta que la del medio Ta en que se encuentra. Al igual que hemos visto con

los termistores el incremento de temperatura T que sufre la RTD debido al

autocalentamiento puede evaluarse por la expresin: P=I2xRT=T


26/43

26

26

Circuitos de medida

+-

R0 R0

R0 R0(1+T)

Fuente de tensin:

Fuente de corriente:

o

TV V 4

o 0

TV IR

4

+ V

Vo


27/43

27

27

Vo es directamente proporcional a RT

La longitud de los cables no introducen error.

Medida a cuatro hilos

VoI

i=0

i=0

+

-( 1mA)

RTD

Para reducir el error producido por las resistencias de los hilos en medidas de

buena precisin se suele utilizar la conexin a 4 hilos de la figura. La corriente

por los cables de medida ser despreciable debido a la alta impedancia de

entrada del circuito de medida. La cada de tensin en los cables de conexin de

la fuente de corriente no afecta a la medida ya que la fuente de corriente asegura

que la corriente por RT es constante y de valor I.

Este tipo de medida a 4 hilos se encuentra disponible en multmetros de gama

media para la medida precisa de resistencias en general. Incluso algunos

incorporan en su software rutinas de conversin a temperatura para los sensores

resistivos ms comunes, como las RTD.


28/43

28

28

( )0o1

VRv 1 T

R= +

+

-VR1

RT

vo

+

-

RTvoAI

I

To GIRv =

Requieren fuentes de excitacin estables

Otros circuitos de acondicionamiento


29/43

29

29

= coeficiente deSeebeck (V/C)

T1

T2

T2

V = (T1- T2)

+

-

Metal 1

Metal 2

8.5 Termopares

T1

Metal 1

Metal 2

Metal 1

T2Efecto Seebeck

(1882)

El principio de funcionamiento del termopar est basado en el efecto Seebeck

segn el cual si se tienen dos conductores distintos homogneos formando un

circuito cerrado y una de las uniones est a una temperatura T1 y la otra a una

temperatura diferente T2, aparece una fuerza electromotriz que da lugar a la

circulacin de una corriente que se mantiene mientras las temperaturas sigan

siendo diferentes. Si se abre el circuito, lo que se observa es la aparicin de una

tensin entre los terminales.

Realmente en este efecto no se requiere que los dos metales sean iguales, lo

que ocurre es que si los dos metales son iguales la tensin que mediramos

sera nula ya que las fuerzas termoelectromotrices (f.t.e.m.) generadas seran

iguales y la tensin en los extremos nula.

Los termopares son los sensores ms utilizados a nivel industrial para la

medida de temperatura. Tienen margen de medida grande, velocidad de

respuesta rpida (ms), son estables, robustos y muy fiables. Para temperaturas

bajas tienen mayor exactitud que las RTD. Dado que no requieren excitacin no

tienen problemas de autocalentamiento. Adems permiten el uso de hilos de

conexin largos.


30/43

30

30

9

6

6

41

26

40

51

Coef. SeebeckV/C @25C

Oxidante, inerteAltas temp.

800 180030%Pt 70%Rh 6%Pt 94%RhB

Oxidante, inerte

Altas temp.

0 145010%Pt 90%Rh -

PtS

Oxidante, inerte

Altas temp.

0 145013%Pt 87%Rh -

PtR

Oxidante, inerte

reductora, subcero

-200 350Cu - ConstantnT

Oxidante0 1260Nicrosil - NisilN

Inerte, subcero-200 1250Chromel - AlumelK

Reductora, inerte0 760Fe - ConstantnJ

Atmsferasde aplicacinCampo de medidarecomendado (C)Composicin(+) (-)Tipo

Constantn: Cu-Ni; Chromel: Ni-Cr; Alumel: Ni-Al; Nicrosil:Ni-Cr-Si; Nisil: Ni-Si-Mg

Termopares comunes

Aunque el termopar puede construirse con dos metales diferentes

cualesquiera, la necesidad de una elevada sensibilidad (coeficiente de Seebeck

alto), estabilidad a lo largo del tiempo, linealidad, etc. ha llevado a que tan slose utilicen determinados materiales dando lugar a diferentes tipos.

Los termopares J, K, N y T se denominan termopares de metales baseporque estn hechos de metales comunes. El termopar tipo J es apropiado paraatmsferas inertes o reductoras. Las atmsferas oxidantes disminuyen la vida til

debido a la presencia de hierro en el termopar que, adems, se oxida muy

rpidamente por encima de 538C. No es adecuado para bajas temperaturas

(por debajo de 0C). El tipo K es muy utilizado por encima de 538C debido a laslimitaciones del termopar de tipo J. El cromo tiende a oxidarse ante la presencia

de oxgeno lo que puede llevar a importantes derivas en el margen de 816 a1038C. El tipo N se utiliza en aplicaciones donde el termopar de tipo K tieneproblemas de oxidacin. El tipo T es adecuado para atmsferas oxidantes,inertes y reductoras.

Los termopares R, S y B se conocen como termopares de metales noblesporque estn hechos de platino y rodio. Se utilizan cuando las temperaturas a

medir son muy elevadas y exceden los mrgenes que se pueden alcanzar con

los metales base o cuando hay problemas de oxidacin o de corrosin.


31/43

31

31

Labfacility

Termopar con lmina adhesiva

Termopar industrial

Termopar de abrazadera

Forma tpicas

Aislamiento mineral

Hay una amplia gama de tipos de termopar, terminaciones y acabados. En el

nivel ms bsico, existen termopares fabricados a partir de dos conductores

desnudos con su unin de medida soldada. El cable puede estar aislado segn

las necesidades y caractersticas de la aplicacin.

El tipo de termopar ms utilizado actualmente, tanto por sus prestaciones

como por su fiabilidad, es el llamado termopar de aislamiento mineral. Se

caracteriza porque los conductores se encuentran insertados en una vaina

metlica cerrada y sellada hermticamente. Los conductores se encuentran

aislados entre si y con respecto a la vaina (si la unin de medida est aislada),

mediante oxido de magnesio compacto. Este tipo de fabricacin permite

conseguir dimetros desde 0,25mm a 10,8 mm. Las longitudes de la vaina

pueden variar desde unos pocos mm hasta varios metros.


32/43

32

32

Unin a masa

Unin aislada

Unin expuesta

Tipo de aislamiento

Termopares con unin expuesta: recomendados slo para realizar medidas

de temperatura en gases estticos o de flujos si no son corrosivos, donde es

necesario obtener una rpida respuesta (0,1s).

En la mayora de los casos se recomienda la utilizacin de termopares con la

unin de medida aislada y protegida mediante vainas para aplicaciones con

lquidos y gases corrosivos, en perjuicio del tiempo de respuesta.

Termopares con unin a masa: el termopar est soldado al extremos de la

vaina, es idnea para su aplicacin con gases y lquidos corrosivos, as como

para aplicaciones de alta presin donde se requiera una respuesta trmica

rpida (unos 2s).

Termopares de unin aislada: la unin est separada de la cpsula mediante

aislante elctrico de elevada conductividad trmica (normalmente xido de

magnesio). Resulta adecuado, por ejemplo, para medir temperaturas de lquidos

conductores. El tiempo de respuesta suele rondar los 5s.


33/43

33

33

Curvas caractersticas

La unin de referencia a 0C

La tensin entre los terminales del termopar depende de los metales y de la

diferencia de temperatura entre las dos uniones. La figura de la izquierda

muestra las curvas de calibracin de varios termopares suponiendo que la

temperatura de una de las uniones est a 0 C. Esta tensin es repetible pero no

es lineal. Para mostrar con ms claridad esta no linealidad en la figura de la

derecha se ha representado la variacin del coeficiente de Seebeck con la

temperatura.


34/43

34

34

Ley de los circuitoshomogneos

Ley de los metales

intermedios

T2

T2

T3

T1+

-V = (T1- T2)

M 2

M 3

T2

T2

T3

T1

T3+

-

M 1 M 1

V = (T1- T2)

Leyes termomtricas

T1

T2

T2

VT1,T2

+

-T2

T3

T3

VT2,T3

+

-T1

T3

T3

VT1,T2+VT2,T3

+

-

Ley de las temperaturas intermedias

Del estudio experimental de los termopares se dedujeron tres leyes,

denominadas leyes termoelctricas, que resumen su comportamiento:

Ley de los circuitos homogneos: La tensin generada por un termopar

cuyas uniones se encuentran a las temperaturas T1 y T2 no depende de la

temperatura a la que se encuentren los puntos intermedios.

Ley de los metales intermedios: Si se introduce un tercer metal en serie con

uno de los que constituyen el termopar, la tensin generada por el termopar no

vara siempre que los extremos del metal insertado se encuentren a la misma

temperatura.

Ley de las temperaturas intermedias: Si VT1,T2 es la tensin generada por untermopar cuyas uniones estn a las temperaturas T1 y T2, y VT2,T3 es la tensin

cuando estn a T2 y T3. La tensin VT1,T3, cuando las uniones estn a las

temperaturas T1 y T3 es igual a VT1,T2 + VT2,T3.


35/43

35

35

2008.5398.4998.4588.4188.3788.3388.2988.2588.2188.1788.138200

1908.1388.0998.0598.0197.9797.9397.8997.8597.8197.7797.739190

1807.7397.6997.6597.6197.5797.5407.5007.4607.4207.3807.340180

1707.3407.3007.2607.2207.1807.1407.1007.0607.0216.9816.941170

1606.9416.9016.8616.8216.7816.7416.7016.6606.6206.5806.540160

1506.5406.5006.4606.4206.3806.3396.2996.2596.2196.1796.138150

1406.1386.0986.0586.0175.9775.9375.8965.8565.8155.7755.735140

1305.7355.6945.6535.6135.5725.5325.4915.4505.4105.3695.328130

1205.3285.2885.2475.2065.1655.1245.0845.0435.0024.9614.920120

1104.9204.8794.8384.7974.7564.7154.6744.6334.5914.5504.509110

1004.5094.4684.4274.3854.3444.3034.2624.2204.1794.1384.096100

904.0964.0554.0133.9723.9313.8893.8483.8063.7653.7233.68290

803.6823.6403.5993.5573.5163.4743.4333.3913.3503.3083.26780

703.2673.2253.1843.1423.1003.0593.0172.9762.9342.8932.85170

602.8512.8102.7682.7272.6852.6442.6022.5612.5192.4782.43660

502.4362.3952.3542.3122.2712.2302.1882.1472.1062.0642.02350

402.0231.9821.9411.8991.8581.8171.7761.7351.6941.6531.61240

301.6121.5711.5301.4891.4481.4071.3661.3261.2851.2441.20330

201.2031.1631.1221.0811.0411.0000.9600.9190.8790.8380.79820

100.7980.7580.7180.6770.6370.5970.5570.5170.4770.4370.39710

00.3970.3570.3170.2770.2380.1980.1580.1190.0790.0390.0000

Tensin termoelctrica (mV)

C109876543210C

Curvas de calibracin

Una de las uniones a 0C

Las curvas de calibracin de los termopares se encuentran recogidas en una

serie de tablas como la de la figura en las que muestran la tensin del termopar

suponiendo que una de las uniones est a 0 C.

Aplicando la ley de las temperaturas intermedias podemos conocer la curva de

calibracin del termopar para cualquier temperatura.


36/43

36

36 NIST

T = a0 + a1V + a2V2 + + anVn

Polinomios de aproximacin

Para aplicaciones de alta precisin las tablas anteriores pueden no ser

adecuadas . En estos casos se recurre a funciones polinmicas para generar la

temperatura del termopar. La figura muestra los coeficientes de la funcin

polinmica: T = a0 + a1V + a2V2 + + anV

n


37/43

37

37

Voltmetro

Metal 1

Metal 2

Cu

Cu

Conector

isotrmico

Las uniones parsitas no

influyen si estn a la misma

temperatura.

T1 T2

Efectos de las unidades parsitas

Para medir la tensin en un termopar se necesita unir los terminales del

mismo con el equipo de medida. Estas uniones dan lugar a dos nuevos

termopares. Se puede demostrar a partir de la ley de los metales intermedios

que si las nuevas uniones estn a la misma temperatura, la tensin medida en

estas condiciones corresponde a la que presenta el termopar original.

La tensin termoelctrica entre cada una de las nuevas uniones y el equipo es

idntica por lo que se cancelan en la medida. Por el mismo motivo, las

soldaduras internas del voltmetro no influyen si se encuentran a la misma

temperatura.

Para garantizar que las uniones con el equipo se encuentren a la misma

temperatura se suelen utilizar unos conectores especiales isotrmicos que

garantizan una distribucin uniforme de la temperatura de forma que sta sea

idntica en las dos uniones.


38/43

38

38

1) Conocer la temperatura de la unin de referencia

2) Amplificar la tensin del termopar

V = (T1T2)

Metal 1

Metal 2

Cu

Cu

T2T1

+

-

Acondicionamiento de seal

Como se ha visto el termopar proporciona una tensin de pequeo valor

proporcional a la diferencia de temperaturas entre dos uniones. Por ello el

acondicionamiento de seal consistir por un lado en realizar una amplificacin

de la tensin del termopar y por otro en conocer la temperatura de la unin de

referencia con objeto de compensar su efecto.

Si el margen de variacin de la temperatura ambiente es menor que la

resolucin deseada, puede dejarse la unin de referencia al aire.


39/43

39

39

Metal 1

Metal 2

Cu

CuT1 A

Hielo

fundente

V = AT1

T2 = 0C

Calibraciones en laboratorios

Error: 0,001C

Compensacin mediante t de referencia constante

Una solucin consiste en introducir una unin en un bao de hielo fundente.

Bien construido, el error puede ser de unos 0,001C. Se trata de un mtodo de

referencia pero es difcil de llevar a cabo por lo que se suele utilizar nicamente

en laboratorios para realizar calibraciones.

Se puede mantener tambin la unin de referencia a una temperatura

constante a basa de emplear una clula Peltier o un horno termostato.


40/43

40

40

Cu

Cu

T2

Sensor

temperatura

SumadorT1

Acondicionador

+

-

1 2 1 2T ,T T ,0 0,TV V V= +

1 1 2 2T ,0 T ,T T ,0V V V= +

1 2T ,TV

1T ,0V

2T ,0V

Compensacin analgica

La compensacin analgica consiste en sumar a la tensin que proporciona el

termopar VT1,T2 la tensin VT2,0 que correspondera al mismo termopar en el que

las temperaturas de la uniones fueran T2 y 0C.

Para obtener VT2,0 es necesario medir la temperatura de la zona de referencia

con otro sensor y realizar un circuito de acondicionamiento que proporcione

dicha tensin. A partir de la tensin resultante, la temperatura de la zona de

medida se obtiene directamente de las tablas.


41/43

41

41

Radiacintrmica,

8.6 Pirmetros de radiacin

i

F TP QP VS

Conversintrmica

Conversintrmica-elctrica

Conversinelctrica

Cualquier cuerpo a una temperatura superior a 0 K emite radiacin

electromagntica debido a la vibracin que experimentan las partculas, tomos

y molculas del cuerpo. Esta radiacin se denomina radiacin trmica. Los

sensores piroelctricos son detectores de radiacin trmica en el IR.

Estos sensores estn formados, como se muestra en la figura, por un

pequeo condensador, constituido por una pastilla muy fina de material cermico

ferroelctrico con dos electrodos en su superficie sobre los cuales se induce una

carga elctrica por efecto piroelctrico. Entre los materiales que ms se utilizan

como dielctrico estn el sulfato de triglicina (TGS) y el tantalato de litio.

El flujo de radiacin emitido por la fuente atraviesa un filtro optico de

coeficiente de transmisin F que deja pasar solo la radiacin IR. Esta energa

llega al detector que absorbe esta energa y provoca un cambio de temperatura

T. Por efecto piroelctrico, se produce la conversin trmica-elctrica

generndose una carga en los electrodos del sensor que posteriormente se

transforma en una seal de tensin.


42/43

42

42

RGvo

Rf

vo

Cfb

Modo tensin

Alta relacin S/N

Baja sensibilidad a la temperatura

Se suele apantallar

Modo corriente

Ms complejo

Mayor ruido

+ +

1/jCP1/jCP

Acondicionamiento

InfraTec

El circuito equivalente del sensor se caracteriza por una alta impedancia de

salida y una corriente extremadamente baja por lo cual debe utilizarse un

amplificador con una alta impedancia de entrada. Para realizar el

acondicionamiento puede emplearse un seguidor de tensin o un amplificador de

carga.

Los sensores piroelctricos en modo tensin proporcionan una alta relacin

S/N y presenta baja sensibilidad a la temperatura. Muestran una gran

sensibilidad a interferencias acsticas, trmicas y electromagnticas por lo que

suelen apantallarse o encapsularse hermticamente (sensor y amplificador) para

reducir los efectos de los movimientos de aire.

Los sensores piroelctricos en modo corriente son menos utilizados que en

modo tensin, ms que nada porque su circuito es ms complejo y la mayora de

las aplicaciones de los sensores piroelctricos son para la deteccin de luz o la

deteccin de movimiento.


43/43

43

Objeto

P

Display

vir

Sensor

piroelctrico

Diodo fotodiodo

Sensor de t

del obturador

Sistema

ptico

A

MPX

Termmetro IR

Como hemos visto un sensor piroelctrico responde slo a los cambios en la

temperatura del material y no al valor esttico de la temperatura. No obstante la

medida esttica de temperatura, puede realizarse pulsando el flujo de radiacin.

La figura muestra el esquema de un termmetro de IR en que el flujo de

radiacin se vara mediante un disco ranurado. La rotacin del disco se

sincroniza con un microcontrolador por medio de un optoacoplador. La salida del

amplificador es una seal alterna cuya magnitud depende de la radiacin IR

incidente y de la velocidad de giro del elemento obstructivo.

En los termmetros IR hay dos parmetros crticos que deben comprenderse

para asegurar que las medidas de temperatura obtenidas sean del todo

correctas:

Resolucin ptica: relacin entre la distancia al objeto y el rea de medida.

Emisividad (): relacin entre la energa que emite un cuerpo por unidad desuperficie y por unidad de tiempo y la que emitira un cuerpo negro (=1, absorve

toda la energa incidente) en las mismas condiciones. En los termmetros IR de

bajo coste la emisividad suele ser fija (0,95), por lo que slo sern utilizados para

la medida de temperatura de objetos cuya superficie no sea altamente reflectiva.

medida de la temperatura

Documents