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

CURSO


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

0

1 1

0

T T B

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

2

1

T

B

dT

dR

R T

T

- = × = 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

I

U

0

1 1

0

T I U R T B

a e R R

Termistores NTC´s


Termistores NTC´s

• Corrientes pequeñas: (aplicación: medida de temperatura)

• Corriente medias:

(aplicación: medida caudal)

• Corrientes grandes:

0

1 1

0

T T B

a e R R

0

0

T

B

e R R

I

U

0

1 1

0

T I U R T B

a e R R

Resistencia negativa

0

1 1

0

T T B

a e R R

Pmax


Termistores NTC´s


T

s R R

R U U

1

1

T

Us ¡¡Zona lineal!!

• Circuito de medida típico

-tº

U

Us R1

RT

Termistores NTC´s


Linealización en torno al punto central de medida

T

Us

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 T C

C R T B T B

R × + -

= 2 2

1 0 2

2

= dT

U d s

θ

1 2 R

T R U max

D × =

( ) potencia P P R T : θ × = D

( ) T max max

R R cuando P R

U P =

× =

1 1

2

4

Termistores NTC´s


T

Us

TC


TH TL

Rango de medida

• Sensibilidad:

– Para T=TC:

2 2

1

1 ) ( T

B

R R

R R U

dT

dU T S

T

T S

1

4 2

2

C

C T

B

B

U 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

1

0

R

R s

T F U

T f s

U

R

R

U

R R

R U U

T T

s

1 1 1

1

1

s

T F

T (ºC)

Termistores NTC´s


Supresión del offset

• Mediante un restador

• Mediante medida en puente

-tº U

R1

RT

R3

R2

A

Amplificador diferencial

-tº

U

Us R1

RT

Restador

Termistores NTC´s


Termistores NTC´s

Linealización mediante paralelizado

RT

R1 T 1

T 1 P

R R

R R R

1

T 2

P

P

R

R 1

1

T

B

dT

dR

R

1

Disminuye la sensibilidad

T

RT

RT

RP

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

RT

R1

E

Posible circuito de medida


• Medida de temperatura

• Medidas basadas en la resistencia térmica

• Compensación de resistencias

RT

Rmetálica (aumenta con T)

(disminuye con T)

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

-tº U

R1

RT

R1

RT

Entorno de referencia

Entorno de ensayo

U

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

+tº

+tº

Termistores PTC´s


T

R

R1

R2

Tc

Regenerativa

T

R

R1

R2

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:

+tº

U

Us

R

Comparador

UC

Circuito electrónico Carga

+tº

i

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

bTadt

dE

bTaTE

:

:

...

...2

1 2


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

00

00

000

:

)(:

)(:

)](1[

TaadresistividladetempdeeCoeficient

CTatemperaturlaaRR

CTatemperaturlaaRR

TTRR

tt

tt


Termistores

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


Termistores

• Tienen buena sensibilidad y estabilidad

2

00

]/)([

0

1

)(:

)(:

)(:

00

TdT

dR

R

KmaterialdelConst

KTatemperaturlaaRR

KTatemperaturlaaRR

eRR

t

t

tt

TTTT

t


Termistores

• Curvas características

Autocalentamiento


Termistores

• Linealización del termistor

rangodelmediaatemperaturlaaRR

paraleloenRR

T

TRR

mt

p

m

mmtp

:

:

2

)2(

,

,


Termistores

• Aplicaciones

Temperatura oral Temperatura piel en neonatos

Termistor/termopar para estudios de sueño


Termometría de radiación

• Definición y ecuaciones

)(1

,.

)(1044.1

)/(1074.3

:

,)1(

4

2

244

1

25

1

2

negrocuerpoemisividad

KnegrocuerpodeTempT

KmC

cmmWC

ondadelongituddeunidadpor

áreadeunidadporradianteFlujoW

mcm

W

e

CW

TC



• Gráfica de espectros de radiación

emisividad

KcmwBoltzmannStefandeCte

radiantetotalPotenicaW

cm

WTW

T

T

)/(1067.5

:

,

4212

2

4



• 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

AreaA

adieléctricConst

áreadeunidadporQD

xA

FDV

:

:

.:

:

)(


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

+ º


MODELO MATEMÁTICO


n

nTTTRR ...1 2

210

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 ( )

m K-1

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


TPD

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

k

hlMóduloBiot

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


AUTOCALENTAMIENTO


tPD

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

USUAL

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

ºC


VALOR R0


METALESMARGEN ÚTIL DE

TEMPERATURACOEFICIENTE TÉRMICO ( )

ºc

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


21

3

20

0

1

1

RR

RV

RtR

tRVVVV abs

31

3

20

0

RR

R

RR

R

trr

trVVs

11

3021 rRrRRR

21r

trVVsL %100

1%100%

r

t

V

VV

s

sLsLV



trr

trVVs

11

21r

trVVsL

PUENTE WHEATSTONE ALIMENTADO CON TENSIÓN

21 tr

rV

dt

dVS S

V

21r

rV

dt

dVS LS

LV


PUENTE WHEATSTONE ALIMENTADO POR CORRIENTE


tr

trrRReq

·22

·110

tr

trRIVS

12

··0

12

··0

r

trRIV

LS

%10012

%100%r

t

V

VV

s

sLsLI

2022

12

tr

rrIR

dt

dVS S

I

120

r

rIR

dt

dVS SL

LI


CONEXIÓN A 3 HILOS


0

0

211

1

R

Rtrr

R

Rrtr

VVW

W

S

0

0

211

1

R

Rtrtr

R

Rtr

W

W

r

0

0

211

1

R

Rrr

R

Rr

W

W

r


CONEXIÓN A 4 HILOS



CONEXIÓN A 2 HILOS



OTROS CIRCUITOS ACONDICIONADORES


tR

RVVS 1

1

0 tRR

RVVS 1

01

0 tR

RVVS 1

1

0

(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


termopar sensor

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