Fundamentos de medicióntemperatura

de

Termistores

Termistores

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•

Resistencia variable con la temperaturaConstruidos con semiconductores

NTC: Coeficiente de temperatura negativo

PTC: Coeficiente de temperatura positivo

Termistores

Los termistores son sensores de temperaturaSe dividen en dos grupos atendiendo al signo temperatura de la resistencia:

de tipo resistivo.del coeficiente de

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

Termistores

Ventajas

Bajo coste.Buena sensibilidad (mayorRespuesta rápida. Medidas a dos hilos.

que las RTD).

Inconvenientes

No son lineales. Requieren excitación. Margen de medida: - 70Autocalentamiento.

a 500 ºC

Termistores

Las NTC son resistencias de material semiconductor cuyaEstánresistencia disminuye cuando aumenta la temperatura.

construidas con una mezcla de óxidos metálicos.

Generalmente se utilizan combinaciones de:Ni–Mn–O, Ni–Cu–Mn–O y Ti–Fe–O.

Básicamente, el incremento de temperatura aportanecesaria para que se incremente el número de

la energíaportadores

capaces de moverse, lo que lleva a un incremento en laconductividad del material.

TermistoresConfiguraciones típicas

Termistores

Característica R – T

• Las NTC no son lineales

• Gran sensibilidad

TermistoresCaracterística R – T de varios

termistores (NTC)

Se observa que la relación entrela resistencia y la temperaturaes lineal, sobre todo, cuando

nose deconsidera un margen

temperatura amplio.

La sensibilidad es muy grande a bajas temperaturas y vadisminuyendo conforme aumenta esta.

Una sensibilidad alta es una característica muy deseable decualquier sensor; de hecho, es la mayor ventaja de los termistoresfrente a otros sensores de temperatura.

Termistores

Modelo matemático

• En un margen reducido de unos 50 ºC:

⎛β 1

− 1

⎞⎜ ⎟

⎠⎝ T T0RT = R0e

RT = Resistencia del termistor a la temperatura T (ºK)

T0 = Temperatura de referencia en ºK, normalmente 298 ºK (25ºC).

R0 = Resistencia del termistor a T0.

β = Constante de temperatura del material (2000 ºK – 6000 ºK)

⎛ R1 ⎞ln ⎜ ⎟ ⎝ R2 ⎠β

=• Constante β:

1 1−

T1 T2

β T0 • Temperatura: T =⎛

⎜ RT

⎞β + T0 ln ⎟R⎝ ⎠T0

β 1 dRT α =

= −

• Coeficiente térmico: 2R dT TT

9 La ecuación más sencilla que reproduce el comportamiento de untermistor (NTC)la ecuación:

ideal en un margen de temperatura de unos 50 ºC es

⎛β 1

− 1

⎞⎜ ⎟

⎠⎝ T T0RT = R0e

9 Para evaluar los parámetros R0 y B se necesitan dos puntos decalibración (T1,R1) y (T2,R2). Se obtiene asíla expresión:

ln ( R1 / R2 )

el valor de β dado por

β = (1/ T1 ) − (1/

T2

)

Los fabricantes utilizan el parámetro B como una constante asociadaal material con que se fabrica el termistor y suele variar entre 2000 y6000 ºK.

9 De la ecuación del comportamiento del termistor, se puedeobtener la temperatura (T)de la temperatura:

y el coeficiente térmico (α), que depende

β T0 β 1 dRTT = α =

= −

⎛

⎜ RT

⎞ 2R dT Tβ + T0 ln T⎟R⎝ ⎠T0

TermistoresCircuito de medida – Linealización

Cálculo de R: se hace coincidir el punto de inflexión de la curva conel punto medio del margen de medida, Tc. En el punto de inflexión:

(T )2Vd β − 2

T 0 c = 0

cR =

RTc2 β + 2T

dT c

9 El circuito permite que la tensión de salida se incrementeconforme lo hace la temperatura.

9 El objetivo es encontrar un valor de R que proporcione un linealidad óptima en el margen de temperatura de interés.

9 Un método analítico para determinar el valor de R consiste en hacer coincidir el punto de inflexión de la curva de salida con el punto medio de nuestro margen de medida Tc. La condición de punto de inflexión implica que debe anularse la derivada segunda.

9 En relación con la tensión de alimentación debe llegarse a uncompromiso entre precisión, que lleva a elegir valores bajos detensión para evitar el autocalentamiento y sensibilidad, queaconsejaría valores grandes.

9 El incremento máximo de temperatura por autocalentamiento(máxima potencia aplicada, Pmáx) se producirá cuando la resistenciadel termistor RT sea igual a la resistencia fija del divisor, R.

TermistoresLinealización con resistor en paralelo

El objetivo, como antes, está en encontrar un valor de R que lleve aunas condiciones óptimas de linealidad. Podemos aplicar el métododel punto de inflexión resultando un valor para la resistenciaparalelo, R, como el expresado anteriormente

Una aplicación típica consiste en compensar los efectos de latemperatura sobre una bobina de cobre. El cobre tiene uncoeficienteprovoca un

Añadiendo

de temperatura positivo yaumento de su resistencia,

un aumento de temperaturafalseando la medida.

una NTC linealizada mediante una resistencia enparalelo puede hacerse que el conjunto tenga un coeficiente detemperatura casi nulo.

Termistores

Termistores de coeficiente de temperatura positivo (PTC)

Las PTC son termistores con coeficiente de temperaturapositivo. Presentan la propiedad de experimentar un cambiobrusco en su valor resistivo cuando la temperatura supera unvalor crítico característico del material. Están fabricadas conmateriales cerámicos policristalinos dopados con impurezas. Seutilizan fundamentalmente compuestos de bario, plomo y titanio con aditivos tales como manganeso y tántalo. Su forma mas común 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. crítico.

• Materiales cerámicos policristalinos dopados con impurezas.

TermistoresEjemplos de aplicaciones – PTC

• Protección frente a sobrecorrientes

Protección de circuitos frente a sobrecorrientes. Si la corrientecirculará mássupera un límite debido a un fallo, por la PTC

corriente y el efecto de autocalentamiento hará que se alcance Ts yaumente bruscamente la resistencia, limitando la corriente en el circuito. Tan pronto como se restablezcan las condiciones normales en el circuito, el sistema volverá a su estado normal.

TermistoresEjemplos de aplicaciones – PTC

• Generación de retardos

Generación debobina del relé.

retardos. Se sitúa una PTC en paralelo con laEn el momento de la conexión de la alimentación

toda la corriente circula por la PTC debido a su bajo valor resistivoinicial, permaneciendo abierto el interruptor del relé. Conforme se calienta, llega un momento en que se alcanza la temperatura de conmutación; en ese instante toda la corriente pasa a circular por la bobina del relé cerrándose su contacto.

RTD(Resistance temperature detector – Detector de

temperatura resistivo)

La resistencia de este sensor cambia a distintas temperaturas y se puede hacer la respectiva correlación resistencia –temperatura.

Materiales comunes de resistencia para RTDs:

Platino (el más popular y exacto)níquelcobreBalco (raro)Tungsteno (raro)

Sensores analógicos

Suministra señales eléctricas : 1 -5 V, 0 -10 V o 4- 20 mA

DigitalesAnalógicos

Tipos básicos de controles de temperatura

Salidas de Control

•Relevador.

•SSR.

•Analógica de 4 a 20 mA.

Relevador

Modo de Control ON – OFFTambién conocido como control todo o Nada