Temperatura

1Leccin 4Medida de la temperatura

4.1 Introduccin

4.2 CI semiconductores

4.3 Termistores

4.4 RTDs

4.5 Termopares

4.6 Pirmetros de radiacin

F. J. Ferrero-2006

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 quetermopar

-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

4.1 Introduccin

3IC

V

kTV lnq

C

S

II

= NkTV lnq N

C

S

II

=

VN

N Transistores

IC

4.2 CI semiconductor

Los CI semiconductores utilizados en la medida de temperatura estn basados en la relacin entre la tensin base-emisor de un transistor de unin bipolar (BJT) y su corriente de colector. Para N transistores y suponiendo que ICse reparte por igual entre todos ellos, la tensin base-emisor ser VN.

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 NationalSemiconductor 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%).

6Sensor detemperatura

TMP05

Moduladordigital

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.e en 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 Sensores resistivos de temperatura de bajo coste

NTC: Resistencia disminuye con la temperatura

PTC: Resistencia aumenta con la temperatura

4.3 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.

8Caracterstica 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.

.

10

Circuito de medida

OT

RV VR R

= +

RT

R

+V

R= 1%, pelcula metlicaV= 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.

12

Linealizacin mediante R en paralelo

TP

T

RRRR 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.

14

Ejemplo

+

-R1

RT

V1

+

-

R2

R3

R4

Vo

5V

OP07

OP07

2

36

7

4

+15V

-15V

2

36

7

4

+15V

-15 V

REF02

R

POT (Ganancia)

POT (Offset)

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

CargaC

alternativa

-t-t

-t -tRec

tific

ador

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

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

0.001 0.029 0.057 0.085 0.11 0.14 0.17 0.2 0.22 0.25 0.280.01

2.51

5.01

7.51

10.01

12.51

15

17.5

20

22.5

Curva Corriente-Tens in 1000ohm @25C

corriente [A]

tens

in

[V]

Ejemplo

(a)

(b)

VT = 15V -(RT+RPOT)IT

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 puntoA 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

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

Aplicaciones

(a) (b)

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 sobretensionesque 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

+tPTC

V

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 relcerrndose su contacto.

22

Sensores de temperatura resistivos.

La resistencia en los metales aumenta con la temperatura

4.4 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

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

Sello de cementocermico

Alambre de Pt

Aislantecermico

Aislamientode mica

Tubo de aceroinoxidable

Vidrio (soportede terminales)

Capa protectorade vidrio

Pelcula de Ptdepositada

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

Caracterstica R-T

300

Temperatura (C)

Res

iste

ncia

()

-200 -100 0 100 200 300 400 500 600

350

250

200

150

100

50

0

PtNi

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

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:

( )2mxD(max) max

V / 2P T V 2 TR

R=

PD = I2xR= 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

Circuitos de medida

+-

R0 R0

R0 R0(1+T)

Fuente de tensin:

Fuente de corriente:

oTV V4

o 0TV IR4

+ V

Vo

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.

29

= coeficiente de Seebeck (V/C)

T1

T2

T2

V = (T1- T2)+

-

Metal 1

Metal 2

4.5 Termopares

T1

Metal 1

Metal 2

Metal 1

T2Efecto Seebeck(1882)

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

9

6

6

41

26

40

51

Coef. SeebeckV/C @25C

Oxidante, inerteAltas temp.

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

B

Oxidante, inerteAltas temp.

0 145010%Pt 90%Rh -Pt

S

Oxidante, inerteAltas temp.

0 145013%Pt 87%Rh -Pt

R

Oxidante, inertereductora, subcero

-200 350Cu - ConstantnTOxidante0 1260Nicrosil - NisilN

Inerte, subcero-200 1250Chromel - AlumelKReductora, inerte0 760Fe - ConstantnJ

Atmsferasde aplicacin

Campo de medida recomendado (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 slo se 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 para atmsferas 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 las limitaciones 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 a 1038C. El tipo N se utiliza en aplicaciones donde el termopar de tipo K tiene problemas 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

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

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

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

Ley de los circuitos homogneos

Ley de los metalesintermedios

T2

T2

T3

T1+

-V = (T1- T2)

M 2

M 3T2

T2

T3

T1

T3+

-

M 1 M 1

V = (T1- T2)

Leyes termomtricas

T1T2

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 un termopar 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

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.

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VoltmetroMetal 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.

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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.

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Metal 1

Metal 2

Cu

CuT1 A

Hielofundente

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.

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Cu

CuT2

Sensortemperatura

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.

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Radiacin trmica,

4.6 Pirmetros de radiacin

i

F TP QP VS

Conversintrmica

Conversin trmica-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), 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 termica-elctrica generndose una carga en los electrodos del sensor que posteriormente se transforma en una seal de tensin.

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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.

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Objeto

P

Display

vir

Sensorpiroelctrico

Diodo fotodiodo

Sensor de tdel obturador

Sistema ptico

AMPX

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 si se pulsando el flujo deradiacin.

La figura muestra el esquema de un termmetro de IR en que el flujo de radiacin de 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 de superficie y por unidad de tiempo y la que emitira un cuerpo negro (=1) 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.

4.1 Introduccin4.2 C.I Semiconductor4.3 Termistores