Fundamentos de medicin de temperatura

Termistores Termopares

David Mrquez Jess Caldern

Termistores Resistencia variable con la temperatura Construidos con semiconductores NTC: Coeficiente de temperatura negativo PTC: Coeficiente de temperatura positivo

TermistoresLos termistores son sensores de temperatura de tipo resistivo. 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.

TermistoresVentajas Bajo coste. Buena sensibilidad (mayor que las RTD). Respuesta rpida. Medidas a dos hilos. Inconvenientes No son lineales. Requieren excitacin. Margen de medida: - 70 a 500 C Autocalentamiento.

TermistoresLas NTC son resistencias de material semiconductor cuya resistencia disminuye cuando aumenta la temperatura. Estn construidas con una mezcla de xidos metlicos. Generalmente se utilizan combinaciones de: NiMnO, NiCuMnO y TiFeO. Bsicamente, el incremento 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.

TermistoresConfiguraciones tpicas

TermistoresCaracterstica R T

Las NTC no son lineales Gran sensibilidad

TermistoresCaracterstica R T de varios termistores (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.

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.

TermistoresModelo matemtico En un margen reducido de unos 50 C:

RT = R0 e

1 1 T T0

RT = Resistencia del termistor a la temperatura T (K) T0 = Temperatura de referencia en K, normalmente 298 K (25C). R0 = Resistencia del termistor a T0. = Constante de temperatura del material (2000 K 6000 K)

Constante :

R1 ln R2 = 1 1 T1 T2

Temperatura:

T=

T0 RT + T0 ln RT 0

Coeficiente trmico:

1 dRT = = 2 RT dT T

La ecuacin ms sencilla que reproduce el comportamiento de un termistor (NTC) ideal en un margen de temperatura de unos 50 C es la ecuacin:

RT = R0 e

1 1 T T0

Para evaluar los parmetros R0 y B se necesitan dos puntos de calibracin (T1,R1) y (T2,R2). Se obtiene as el valor de dado por la expresin:

ln ( R1 / R2 ) = (1/ T1 ) (1/ T2 )

Los fabricantes utilizan el parmetro B como una constante asociada al material con que se fabrica el termistor y suele variar entre 2000 y 6000 K.

De la ecuacin del comportamiento del termistor, se puede obtener la temperatura (T) y el coeficiente trmico (), que depende de la temperatura:

T=

T0 RT + T0 ln RT 0

1 dRT = = 2 RT dT T

TermistoresCircuito de medida Linealizacin

Clculo de R: se hace coincidir el punto de inflexin de la curva con el punto medio del margen de medida, Tc. En el punto de inflexin:

d V0 (Tc ) =0 2 dT2

2Tc R= RT + 2Tc

c

El circuito permite que la tensin de salida se incremente conforme lo hace la temperatura. El objetivo es encontrar un valor de R que proporcione un linealidad ptima en el margen de temperatura de inters. Un mtodo analtico para determinar el valor de R consiste en hacer coincidir el punto de inflexin de la curva de salida con el punto medio de nuestro margen de medida Tc. La condicin de punto de inflexin implica que debe anularse la derivada segunda.

En relacin con la tensin de alimentacin debe llegarse a un compromiso entre precisin, que lleva a elegir valores bajos de tensin para evitar el autocalentamiento y sensibilidad, que aconsejara valores grandes. El incremento mximo de temperatura por autocalentamiento (mxima potencia aplicada, Pmx) se producir cuando la resistencia del termistor RT sea igual a la resistencia fija del divisor, R.

TermistoresLinealizacin con resistor en paralelo

El objetivo, como antes, est en encontrar un valor de R que lleve a unas condiciones ptimas de linealidad. Podemos aplicar el mtodo del punto de inflexin resultando un valor para la resistencia paralelo, R, como el expresado anteriormente

Una aplicacin tpica consiste en compensar los efectos de la temperatura sobre una bobina de cobre. El cobre tiene un coeficiente de temperatura positivo y un aumento de temperatura provoca un aumento de su resistencia, falseando la medida. Aadiendo una NTC linealizada mediante una resistencia en paralelo puede hacerse que el conjunto tenga un coeficiente de temperatura casi nulo.

TermistoresTermistores de coeficiente de temperatura positivo (PTC) Las PTC son termistores con coeficiente de temperatura positivo. Presentan la propiedad de experimentar un cambio brusco en su valor resistivo cuando la temperatura supera un valor crtico caracterstico del material. Estn fabricadas con materiales cermicos policristalinos dopados con impurezas. Se utilizan fundamentalmente compuestos de bario, plomo y titanio con aditivos tales como manganeso y tntalo. Su forma mas comn es un disco con las superficies metalizadas.

TermistoresTermistores de coeficiente de temperatura positivo (PTC) Cambio brusco en R cuando se supera un valor de temp. crtico. Materiales cermicos policristalinos dopados con impurezas.

TermistoresEjemplos de aplicaciones PTC Proteccin frente a sobrecorrientes

Proteccin de circuitos frente a sobrecorrientes. 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.

TermistoresEjemplos de aplicaciones PTC Generacin de retardos

Generacin de retardos. Se sita una PTC en paralelo con la bobina del rel. En el momento de la conexin de la alimentacin 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 la temperatura de conmutacin; en ese instante toda la corriente pasa a circular por la bobina del rel cerrndose su contacto.

Termopares

TermoparesEn el campo de la instrumentacin, las mediciones de temperatura son de lo ms comn, sin embargo, si no se emplean las tcnicas o los equipos adecuados, estas mediciones pueden ser errneas y/o costosas. El termopar es por mucho el sensor de temperatura ms usado en la industria por diferentes razones, podemos mencionar entre otras el amplio intervalo de temperatura de uso, su robustez, la relativa buena exactitud, rpida respuesta a cambios de temperatura, versatilidad de uso y bajo costo.

Termopares

Termopares

TermoparesEl termopar fue descubierto por Thomas Seebeck en 1831. Seebeck descubri que una corriente elctrica flua en un circuito cerrado de dos metales distintos cuando una de las uniones era calentada. La magnitud y direccin de la corriente son funcin de la diferencia de temperatura de las uniones y de las propiedades trmicas de los metales usados en el circuito. A este fenmeno se le conoce como efecto Seebeck.

TermoparesSi abrimos este circuito, obtenemos una diferencia de potencial pequea (milivolts), la cual es directamente proporcional a la temperatura de la unin y a la composicin de los dos metales.eAB

Todos los metales distintos unidos de esta forma manifiestan este efecto. La tensin de Seebeck guarda una relacin lineal con la temperatura en la forma :

eAB = Tdonde la constante de proporcionalidad es el llamado coeficiente de Seebeck.

TermoparesTipos de Termopares

Cromel Constantan Hierro Constantan Cobre Constantan Cromel Alumel

TermoparesTipos de Termopares

TermoparesMedida de la tensin de un termoparLa diferencia de potencial (tensin de Seebeck) no puede medirse directamente conectando un voltmetro al termopar formado, pues los cables del voltmetro forman con los del termopar otra nueva unin termoelctrica.

Vamos a suponer por ejemplo, que conectamos un voltmetro a un termopar tipo T (Cobre Constantan) para conocer su ddp.

El circuito termoelctrico equivalente que obtendramos sera:

Quisiramos conocer el valor de V1, pero al conectar el voltmetro estamos creando dos uniones ms U2 y U3. Debido a que U3 es del mismo metal (cobre cobre), la ddp es igual a cero volts (V3=0). Sin embargo U2 que es una unin de cobre constantan crea una V2 en oposicin a V1, por lo que la lectura resultante del voltmetro V ser proporcional a la diferencia de temperaturas U1 y U2. En otras palabras necesitamos conocer U2.

Una manera de determinar U2 es colocar fsicamente esta unin dentro un bao de hielo, forzando entonces a que su temperatura sea 0C y estableciendo U2 como la Unin de referencia (Unin fra).

De esta forma, la lectura que da el voltmetro ser ahora

V = V1 V2 ( tU 1 tU 2 )donde tU es la temperatura de cada unin dada en grados Kelvin. Si se quiere expresar en grados Celsius:V = V1 V2 = (TU 1 + 273.15 ) (TU 2 + 273.15 ) = (TU 1 TU 2 ) = (TU 1 0 )

con lo cual

V = TU 1

siendo T la temperatura en grados centgrados.

V = TU 1

De esta forma, la lectura V est referenciada respecto a la temperatura de la unin de referencia (0 C). Este mtodo es muy preciso pues la temperatura de punto de hielo de la unin de referencia puede ser controlada de una forma muy precisa. Ello ha dado lugar a que el punto de hielo sea admitido como un punto de referencia fundamental por los organismos internacionales de normalizacin. Existen tablas obtenidas experimentalmente en las que midiendo la tensin que aparece puede obtenerse la temperatura de la unin de medida TU1.

TermoparesCdigo de colores El propsito es establecer uniformidad en la designacin de los termopares y cables de extensin, por medio de colores en sus aislamientos e identificar su tipo o composicin as como su polaridad.

Termopares

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