Laboratorio de Sensores – Temperatura

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UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANAPOSTGRADOS EN AUTOMÁTICA

CURSO DE SENSORES Y ACTUADORES

SENSORES DE TEMPERATURA: GANANCIA Y LINEALIDAD

1. OBJETIVOS

1.1. OBJETIVO GENERAL

Conocer el principio de funcionamiento de los diferentes sensores de temperatura y algunas de sus características, entre ellas su sensibilidad y linealidad.

1.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS

• Realizar la medición de un proceso de calentamiento con diferentes instrumentos comparando los valores experimentales con los teóricos.

• Determinar la linealidad o no linealidad de la salida de un instrumento, a través del comportamiento de la ganancia evaluada a intervalos iguales de temperatura.

2. TEORÍA

2.1. ELEMENTOS PRIMARIOS DE TEMPERATURA

La temperatura es la magnitud física que representa el grado de agitación molecular de la materia, expresado en términos de una escala arbitraria de valores. De carácter relativo, refleja el resultado de la transmisión de calor desde una sustancia a otra. Las escalas más comunes de temperatura son la Celsius o centígrada y la Fahrenheit, las cuales son escalas relativas, mientras que la Kelvin y la Rankine son escalas absolutas.

La temperatura es una de las variables más importantes en los procesos industriales, por lo cual se ha creado una gran variedad de sensores con diferentes principios de funcionamiento. Los instrumentos de temperatura utilizan diversos fenómenos que son influidos por la temperatura, los cuales son:

• Estado (fase y propiedades) de una sustancia.• Variación de resistencias de un conductor.• Variación de resistencias de un semiconductor.• F.E.M. creada en la unión de dos metales distintos.• Intensidad de la radiación total emitida por el cuerpo.• Otros fenómenos (velocidad del sonido en un gas, frecuencia de resonancia de un

cristal, etc.).

Los elementos primarios de medición de temperatura más comunes en las aplicaciones industriales son los termopares y las termorresistencias.

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2.2. GANANCIA DE UN SENSOR O TRANSMISOR

La ganancia de un instrumento se calcula como la razón de cambio (derivada) de la variable o señal de salida (Y) con respecto al cambio en su entrada (X) en condiciones estáticas (sin tener en cuenta el tiempo) y evaluada en un valor específico:

Xo

dYk

dX=

Nótese que si un instrumento tiene una curva de calibración no lineal, la ganancia que no es otra cosa que la pendiente de la curva, será diferente en todos los puntos. Si el instrumento es lineal, la ganancia es la misma en cualquier punto y puede aproximarse al cociente entre el incremento de la salida sobre el incremento correspondiente de la entrada:

Xo

Yk

X

∆≈∆

Por ser la ganancia un cociente entre la salida y la entrada, tiene unidades que dependen del tipo de variables. Si el instrumento es un indicador el valor entregado es el mismo que el valor medido y por tanto k = 1 (°C/°C, °F/°F, etc.). En el caso de termopares (sin termómetro digital), la ganancia tendrá unidades de mV/°C, mientras que para termistores y termorresistencias será de Ω/°C. Si se trata de un transmisor neumático o eléctrico, entonces la ganancia será una constante con unidades de psi/°C ó mA/°C respectivamente. Dependiendo de la naturaleza del principio de funcionamiento y del material, el sensor puede presentar o no, un comportamiento aproximadamente lineal (ganancia constante).

3. EQUIPOS E INSTRUMENTOS

• Termómetro de vidrio.• Termopares J o K.• Termorresistencia tipo Pt100.• Termistores NTC o PTC.• Multímetro digital.• Potenciómetro milivoltímetro.• Baño de aceite termostático.

4. PROCEDIMIENTO

En este procedimiento se medirá en condiciones de estado estacionario, la salida en milivoltios de un termopar tipo K, así como la resistencia de una Pt100 y de un termistor (NTC o PTC), para un rango de temperatura de 20 a 100°C.

El procedimiento es el siguiente:• Coloque los sensores dentro del baño lo más cerca posible el uno del otro para que

la lectura no se afecte por los gradientes de temperatura a través del fluido.• Conecte la salida del termopar a las terminales del milivoltímetro, teniendo en cuenta

su polaridad y ajuste el rango de medición en milivoltios.

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• Conecte las termorresistencias y termisotres a los multímetros y seleccione la escala de resistencia de acuerdo al sensor (ohmios y megaomhios respectivamente).

• Con el termómetro de vidrio tome lectura de la temperatura ambiente para efecto de la compensación de punta fría del termopar.

• Encienda el baño termostático y ajuste la consigna del controlador a 25°C.• Cuando la salida de los sensores se estabilice, registre sus valores e incremente la

consigna en 5°C.

5. RESULTADOS Y ANÁLISIS

5.1. A partir de los datos obtenidos en la práctica llene la siguiente tabla para el termopar. El valor compensado de milivoltaje corresponde al valor obtenido experimentalmente más el milivoltaje de compensación de punta fría a la temperatura ambiente. El valor teórico de milivoltaje y de ganancia para cada temperatura se calcula con el programa de la ITS 90:

T (°C) mV experim.

mV compens.

K exp (∆mV/∆°C)

mV Teórico

K teor (∆mV/∆°C)

%Error

2530...

100

5.2. Para la termorresistencia PT100 llene la siguiente tabla. El valor teórico de resistencia y de ganancia para cada temperatura se calcula con el programa de la ITS 90:

T (°C) Ω Experim. Kexp

(∆Ω /∆°C)Ω Teórico Kteo

(∆Ω /∆°C)%Error

2530...

100

5.3. Para el termistor, dado que no existe salida teórica, sólo se puede calcular la ganancia experimental:

T (°C) Ω Experim. Kexp

(∆Ω /∆°C)2530...

100

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5.4. Grafique para el termopar y la termorresistencia su salida experimental y teórica vs. la temperatura. Compare las curvas y analice las desviaciones.

5.5. ¿A qué factores puede atribuirse el error entre el valor medido de temperatura y el valor teórico que se encuentra en las tablas de la ITS90 para termopares y RTD?

5.6. Para el termistor, a partir del conjunto de datos experimentales obtenga una ecuación empírica que se ajuste a la forma de la ecuación de Steinhart-Hart; grafique la ecuación empírica y compare su ajuste a los datos experimentales.

5.7. ¿Cómo es la ganancia de los instrumentos a lo largo del campo de temperaturas medido? ¿Cuál de ellos es más lineal?

6. BIBLIOGRAFÍA

• CREUS SOLÉ, Antonio. Instrumentación Industrial. 4 ed. Barcelona: Marcombo Boixareu, 1989.

• CURTIS, Jonson. Process control instrumentation technology. 5th ed. USA: Prentice Hall, 1997. 638 p.

• SMITH, Carlos y CORRIPIO, Armando. Control Automático de Procesos. Teoría y Práctica. México: Ed. Limusa, 1995.

• VALBUENA, Javier. Instrumentación real y virtual para procesos de flujo. Medellín: UPB., 2003. 373p.

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LECTURATemperatura (°C) Termopar

J (mV)Termopar

K (mV)RTD

PT100 (Ω )Termistor NTC (Ω )

Termistor PTC (Ω )

253035404550556065707580859095100

Temperatura ambiente: _______°C