Sensores De temperatura

Sensores de temperatura Vamos a ver como se materializa dicha medida en sensores concretos de temperatura, nos centraremos en los más utilizados en el sector eléctrico-electrónico, y que son: • Resistencias termométricas (RTD).

• Termopares.

• Sensores de temperatura semiconductores.

• Termistores.

Resistencias termométricas La resistencia eléctrica puede variar según el efecto resistivo, en las resistencias termométricas se aprovecha la variación de resistividad que se produce al variar la temperatura de la resistencia, de modo que la resistencia eléctrica (en Ohmios, Ω ) cambia según la siguiente expresión: Donde: RT0 = resistencia a 0 °C RTF = resistencia a t °C, es la resistencia a la temperatura que quiero calcular. α = coeficiente de temperatura, es la razón de cambio de temperatura por grado centígrado. Δt = Incremento de temperatura (TF – T0) respecto a 0ºC. Esta expresión marca el valor de la resistencia utilizada como sensor de temperatura y situada en un entorno donde la temperatura tiene un valor TF. Estas resistencias presentan una variación lineal de su valor resistivo en ohmios frente a variaciones de temperatura, el símbolo que utilizamos para las resistencias variables Pt100 es el siguiente:

Resistencias de platino Pt100 Las resistencias termométricas más comúnmente utilizadas son las resistencias de platino, ya que es el material más adecuado por precisión y estabilidad, aunque tiene un coste elevado. En general el sensor de este tipo (Pt: platino) más utilizado en la industria tiene un valor de 100Ω a la temperatura de 0ºC y se conoce comúnmente como Pt100.

La figura 1 muestra una resistencia de platino Pt100, observa como se construyen con forma de lanza, para de esta forma introducirlas en el entorno del que se desee medir la temperatura.

Figura 1. Diferentes realizaciones comerciales de sensores Pt100.

Aunque también existen resistencias termométricas diseñadas con otros metales aunque su uso es menor, las características más importantes de las mismas se muestran en la tabla.

Metal Coeficiente de temperatura(α)

Platino 3’85·10-3 ºC-1

Níquel 6’3·10-3 ºC-1

Cobre 42’5·10-3 ºC-1

Intervalo de uso Resistencia de la sonda a 0°C (Valores comerciales)

-200 a 950 °C 25,100,130Ω

-150 a 300 °C 100Ω

-200 a 120 °C 10Ω

Precisión

0,01 °C

0,5 °C

0,1 °C

La resistencia Pt100 es, con mucho, la más exacta de las resistencias termométricas y es utilizada como patrón de medida, la curva característica de la Pt100 se muestra en la figura 2.

La adaptación de la variación de resistencia a tensión se puede realizar mediante un divisor resistivo o un puente de Wheatstone, siendo más adecuado realizarlo por el segundo método, que tiene la ventaja de poder situar el 0 de la escala termométrica en 0 Voltios a la salida del puente.

Figura 2. Curva característica de la Pt100.

En ocasiones, si el punto de medida está alejado de la zona de tratamiento de la información proporcionada por el sensor se necesitan hilos muy largos, teniendo el inconveniente de las caidas de tensión que se pueden producir en estos hilos y el consiguiente “falseo” de la medida, en estos casos se utilizan Pt100 a 3 hilos evitando parte de la caida de tensión producida en estos. El esquema del sensor queda de la siguiente forma: Figura 3. Resistencia Pt100 a 3 hilos.

Figura 4. Pt100 industrial a 3 hilos.

Termopares Los termopares se basan en el efecto termoeléctrico o seebeck, que hace circular una corriente por un circuito formado por 2 metales distintos unidos y cuyas uniones están a diferente temperatura, si abrimos el circuito por alguna de las 2 uniones se produce una fuerza termoelectromotriz en sus bornes, son los sensores de temperatura más utilizados en la industria.

La figura 5 muestra la representación de un termopar con sus bornes abiertos, en la figura 6 se observan 2 termopares industriales.

Figura 5. Termopar

Figura 6. Termopares industriales.

El número posible de termopares es muy elevado, pero en la práctica se reduce a unos pocos, siguiendo los criterios de: - Mayor fuerza termoelectromotriz.

- Mayor linealidad.

- Mayor campo de medida.

Según los tipos de materiales que forman la unión, tenemos diferentes termopares. La tabla muestra las características fundamentales de los termopares más usuales, junto con su denominación.

Tipo

Metal +

Metal -

Campo medida

J K T E R

Hierro Cromel Cobre Cromel 13% Platino -80% Rodio

Constantan Alumel Constantan Constantan Platino

-40 a 750 ºC - 40 a 1000 ºC - 40 a 350 ºC -40 a 800 ºC 0 a 1600 ºC

Sensibilidad (mV/ºC) (compensado) 0’05 mV/ºC 0’039 mV/ºC 0’039 mV/ºC 0’059 mV/ºC 0’005 mV/ºC

Se puede observar de la lectura de la tabla el amplio rango de temperaturas que nos proporcionan los termopares, aunque su sensibilidad es muy baja.

Aparte de la inherente ventaja que para el entorno industrial suponen los termopares debido a su amplio campo de medida, los termopares tienen 2 inconvenientes, que se deben solucionar: Inconveniente 1.

Como se puede observar en la columna de sensibilidad de la tabla, la variación de tensión que se registra cuando varía la temperatura es muy débil, necesitando una etapa de adaptación para poder detectarla, aparte esta sensibilidad no es constante, sino que varía según la temperatura, con lo cual se debe linealizar. La figura 7 muestra la variación de tensión respecto a la temperatura de los termopares más usuales.

Figura 7.Curvas temperatura-tensión de los termopares

.

Actualmente, se realiza una linealización en el mismo dispositivo que amplifica la señal del termopar con lo que eliminamos dichos inconvenientes.

Inconveniente 2.

El efecto termoeléctrico se basa en la unión de 2 metales diferentes a diferente temperatura, esto nos lleva a que cuando unimos los cables de medición al termopar, nos aparece otra unión a temperatura ambiente (la del entorno de trabajo) llamada “unión de referencia”, con lo cual la tensión de medida resultante es función de ambas.

Figura 8. Termopar con unión de referencia.

Actualmente, en el mismo dispositivo que realiza la adaptación de la señal se dispone de un sensor de la temperatura ambiente, que introduce una tensión en el circuito de forma que compensa la aparición de esta tensión de la unión de referencia..

Figura 9

El circuito proporciona una tensión VC que depende de la señal entregada por el sensor, es decir, de la temperatura T2. La tensión de medida será:

Si VC varía de la misma forma que VAB(T2) conseguiremos la compensación que se pretendía.

En la literatura técnica puede aparecer tanto el concepto de termopar como el de termocupla (del inglés thermocouple) , siendo el primero usado en España y el segundo en latinoamérica, pero no debemos olvidar que son sinónimos.

Al ser un sensor de salida diferencial, la adaptación se deberá realizar mediante amplificadores diferenciales o de instrumentación, que se conectarían a los terminales indicados como D en la figura 9.

Sensores semiconductores Los semiconductores son sensibles a las variaciones de temperatura en su entorno, si aprovechamos esta propiedad podemos obtener sensores de temperatura muy precisos y a bajo coste, aunque se limitan a las bajas temperaturas (máximo entre 150 ºC y 200ºC).

El sensor LM35 es un sensor semiconductor de temperatura, realmente es un circuito integrado, con 3 terminales que proporciona una tensión proporcional a la temperatura del entorno. La figura 10 muestra una figura del sensor LM35 en uno de sus encapsulados, observa como tiene 3 terminales, Vcc en el que se conecta la tensión de alimentación que puede ser de 4 a 30 V, la masa es para el terminal de referencia y el terminal Vout es el que proporciona la tensión de salida.

Figura 10. LM35 y su patillaje.

La tensión de salida (en voltios) se proporciona entre los terminales Vout y la masa, según la relación: Es decir, proporciona 10mV por cada grado centígrado que se incrementa la temperatura, hay que considerar 2 rangos de medida: a).- Medidas entre 2ºC y 150ºC: Debido que no puede proporcionar tensiones menores a la de referencia (0 Voltios) , la mínima temperatura queda fijada en 2ºC. La conexión es la que aparece en la figura 11.

Figura 11

b).- Medidas entre –55ºC y 150ºC. En esta conexión ya puede proporcionar tensiones negativas, aunque necesita una resistencia externa de valor R1 = Vcc/50•10-6 Figura 12.

Las características más destacables son: a).- Tensión de salida en grados centígrados. b).- Sensibilidad valor 10 mV / °C. c).- Alimentación de 4 a 30 V. Termistores Los termistores son componentes semiconductores con un elevado coeficiente de temperatura, por lo que experimentan cambios muy elevados de resistencia frente a cambios térmicos. Pueden ser de dos tipos: • NTC: Coeficiente negativo de temperatura.

• PTC: Coeficiente positivo de temperatura.

Termistores NTC En la NTC la relación entre la resistencia de la misma y la temperatura viene dada por la expresión:

Siendo T la temperatura absoluta de medida (en Kelvin), R0 la resistencia de la NTC a la temperatura T0 (en Kelvin) y B una constante que depende del tipo de termistor.

En la Figura 13 se muestra de qué forma varía la resis-tencia de la NTC en función de la temperatura para diferentes valores de B. El margen de temperaturas de trabajo está comprendido entre -260 °C y 300 °C, su sensibilidad es del orden de los K Ω/°C y la precisión absoluta de ±0,001 °C. Para utilizar una NTC como termómetro se pueden hacer uso de diferentes circuitos.

Figura 13

La Figura 14 muestra el más simple de ellos:

La resistencia R debe ser de valor:

Para que la salida sea lineal en el entorno de TL Consiste en un divisor de tensión, siendo la salida igual a:

Si sustituimos RT por su expresión nos queda:

La variación de VS en función de la temperatura se muestra en la Figura 15.

Figura 15

Observamos que cuando la temperatura aumenta mucho, la resistencia de la NTC baja tanto que su valor frente a R se puede despreciar y VS se hace casi igual a V. Sin embargo, dentro del margen entre T1 y T2, el circuito tiene un comportamiento casi lineal. Este margen de temperaturas depende del valor del Rl y de la NTC elegida. La tensión de alimentación V determina la sensibilidad del circuito, aunque no puede ser excesivamente elevada para evitar el autocalentamiento de la NTC y con ello la falta de precisión.

Otro posible circuito termométrico es el montaje en puente. La tensión Vg será la del circuito anterior, restándole la caída en Rl. Por ello, ajustando el valor de R2 podremos ajustar el cero de la escala entre TI y T2.

Termistores PTC Por otro lado, las PTC se caracterizan porque a una cierta temperatura, propia del componente elegido, sufren un cambio brusco en el valor de resistencia, tal como muestra la Figura 16.

Por debajo de TC, la resistencia es baja (aproximadamente 100Ω), mientras que por encima de TC es muy alta (algunos MΩ). La temperatura critica TC. está comprendida, según modelo, entre -50 °C y 140°C. Los termistores PTC se utilizan, generalmente, como elementos detectores y de protección, puesto que el estrecho margen de temperaturas, alrededor de TC., en los que varía su resistencia impide su uso como dispositivo de medida.

Figura 16

En la Figura 17 se muestra un sencillo circuito en el que la tensión VS es prácticamente 0 para T<TC y V para T>TC (detector de temperatura umbral).

Figura 17