Sensores de Temperatura Los Termopares En 1821 thomas seebeck descubri贸 que cuando dos metales disimiles estan en contacto se genra un voltaje cuando este esta en funci贸n de la temperatura.el dispositivo formado por dos materiales disimiles unidos se llama termopar y el voltaje se llama voltaje de seebeck por su descubridor. Por ejemplo la uni贸n de cable y constatan produce un voltaje de unas decenas de milivolts con potencial posistivo en el lado de cobre ,el incremento de temperatura aumenta el voltaje.
Voltaje de salida del termopar en función de la temperatura para varios materiales del termopar Existen métodos para unir los metales disimiles .Uno es fundirlos juntos, este tipode unión es frágil y si no se protege de los esfuerzos este tipi de termopar se puede fracturar y romper .Durante el proceso de fundición de los gases del mismo se puede difundir en el metal y modificar las características del termopar. Otro método para unir dos metales distintos es soldar los alambres ,esto tiene la desventaja de inroducir untercer metal. Pero por suerte en caso de tener los metales a la misma temperatura,el voltaje seebeck debido ala acción del termopar éntrelos dosmetales del termopary el metal para soldar tendrá voltajes iguales y opuestos y el efecto se cancela. Una desventaja es que el termopar es para medir altas temperaturas en la que muchas veces quelas temperatuas a medirse son mas altas que la temperatura de fusión de la soldadura y el termopar se separa. Para medir elvoltaje sedebeck los alambres e pueden conectar como la figura siguiente:
Efecto termopar (termocupla) parasito adicional.
Esta conexión causa problema en la medición como se meuestra en esta figura.Considerese que el medidortiene alambres de cobre como semuestra, en este caso donde dos alambres de cobre están en contacto mas adelante ,no hay problema; pero donde le cobre esta en contacto con otro metal, como el alambre de constatan del termopar, los dos metales crean otro termopar el cual genera su propio voltaje de seebeck. Para este ejemplo , los alambres de conexión usados fueron de cobre y el termopar era de cobre y constatan ,pero la composición de los alambres no es importante ya que cualquier combinación producirá estos termopares parásitos con los voltajes de seebeck adicionales. Es inevitable que haya cuando menos dos uniones de termopar en el sitema. Para evitarlo ,es necesario conocer y mantener constante la temperatura de una de las uniones .Por tanto existe un voltaje fijo en la medición del sistema .Se acostumbraba poner esta unión en una mezcla de hielo con agua estabilizando la temperatura a
0
0
C (fig f),técnicas mas
modernas utilizan uniones de referencia electrónicas que no están necesariamente a
00 C. Esta
unión se llama unión de referencia fría debido a que esta unión se llevaba en un baño de hielo. El método clásico para medir voltajes con termopares fue con un potenciómetro .Este era un dispositivo mecanico que ya no se usa .Se utilizan dispositivos electrónicos para medir voltajes de termopares y convertir el voltaje Seebeck a temperatura y compensar por la union de referencia.
Aplicaciones de una unión de referencia Los Termistores Los termistores o resistores térmicos son dispositivos semiconductores que se comportan como resistencias con coeficiente de temperatura de resistencia altos y generalmente negativos .En algunos casos la resistencia de termistor a temperatura ambiente puede disminuir en un 6%por cada
10 C que se eleve la temperatura. Dada esta alta sensibilidad alcambio de temperatura
hacen al termistor muy conveniente para mediciones ,control y compensar con presicion de la
temperatura. El uso de termistores esta muy definido en tales aplicaciones, en especial en el rango mas bajo de temperatura de - 100
0
Ca
3 000 C.
Los termistores están compuestos de una mezcla sintética de óxidos de metales,como manganeso niquel ,cobalto, cobre, hierro y uranio .su rango de resistencia va de 0.5 a 75
Ω
y estan
definidas en una amplia variedad de formas y tamaños. Tres características importantes del termistor lo hacen extremadamente útil en medición y control: resistencia-temperatura, voltaje-corriente, corriente- tiempo. La característica resistencia temperatura de la figura g muestra que el termistor tiene coeficiente de temperatura de resistencia muy elevado y negativo ,lo que lo convierte en un transductor de temperatura ideal. Las variaciones de resistencia vs temperatura de dos materiales industriales se comparan con las características del platino(muy utilizado en los termómetros de resistencia).Entre las temperaturas de - 100
0
Cy+
4 00 0 C la resistencia del material termistor tipo A cambia de 107 a 1ohm
mientras que la resistencia de platino varia por un factor de aproxi madamente por 10 sobre el mismo rango de temperatura.
Figura g En la característica voltaje-corriente de la figura h se observa que la caída de voltaje a través de un termistor aumenta con el incremento de corriente hasta que alcanza un valor pico masa del cual ;lla caída del voltaje decrece con el incremento de corriente .En esta parte de la curva ,del termistor presenta una característica de resistencia negativa. Si se aplica un voltaje muy pequeño al dispositivo ,la pequeña corriente resultante la corriente no produce suficiente calor para elevar
la temperatura del termistor arriba de la temperatura ambiente. En esta condición se síguela ley de ohm y la corriente es proporcional al voltaje aplicado. las corrientes mas grandes para voltajes aplicados mas grandes producen calor lo suficiente como para elevar la temperatura del termistor por encima dela temperatura ambiente y entonces su resistencia decrece.Por consiguiente, en cualquier condición ambiental fija la resistencia de un termistor es mayormente una función dela potencia disipada dentro de el mismo, siempre y cuando haya suficiente potencia disponible para incrementar la temperatura por encima de la temperaturaambiente.en talles condiciones de operación la temperatura del temistor se puede elevar de
1000 C a 2 00 0 C y su resistencia
puede bajar a un milésimo de su valor a baja corriente. Esta caracteristica de autocalentamiento proporciona un nuevo campo de aplicación para el termistor ya que es sensiblea todo lo que cambie la razón ala cual el calor se disipaes to sirve para medir flujo, presión,nivel de liquidos,composicionde gases ,etc.Pero si la razón de eliminación es fija el termistor es sensible a la potencia de entrada y se puede usar para el controlde voltaje o nivel de potencia .
Figura h Característica voltaje- corriente La curva característica de corriente y tiempo de la figura i indica el retardo de tiempo para alcanzar la máxima corriente como una función del voltaje aplicado. Cuando el efecto de autocalentamiento que se acaba de describir ocurre en una red con termistor ,se requiere cierto tiempo finito para que el termistor se caliente y la corriente alcance su máximo valor de estado estable. Este tiempo aunque se fija para un conjunto dado de parámetros del circuito. Este efecto tiempo-corriente proporciona un medio simple y exacto de lograr retardos de tiempos de milisegundos a varios minutos.
Carcteristica corriente tiempo
Medicion de la temperatura La medición de temperatura es lo mas común e importante aunque los impedimentos que tiene son de acuerdo a su precisió,velocidad de captar temperatura,y el tipo de instrumento indicador. Los instrumentos de temperatura se basan según distintos fenómenos que se influencian por la temperatura entre los cuales están: a) variaciones en volumen o en estado de los cuerpos (sólidos, líquidos b) variación de resistencia de un conductor (sondas de resistencia); e) variación de resistencia de un semiconductor (termistores);
o gases);
d) f.e.m. creada en la unión de dos metales distintos (termopares); e) intensidad
de la radiación total emitida por el cuerpo (pirómetros de radiación);
f) otros fenómenos utilizados en laboratorio (velocidad del sonido en un gas,
frecuencia de resonancia de un cristal.. .). Termómetro de vidrio
El termómetro de vidrio (fig. 6.2) consta de un depósito de vidrio que contiene, por ejemplo, mercurio y que al calentarse se expande y sube en el tubo capilar. Los márgenes de trabajo de los fluidos empleados son:
Termómetro bimetálico Los termómetros bimetálicos se fundan en el distinto coeficiente de dilatación de dos metales diferentes, tales como latón, monel o acero y una aleación de ferroníquel o Invar (35,5 % de níquel) laminados conjuntamente. Las láminas bimetálicas pueden ser rectas o curvas, formando espirales o hélices
Un termómetro bimetálico típico contiene pocas partes móviles, sólo la aguja indicadora sujeta al extremo libre de la espiral o de la hélice y el propio elemento bimetálico. El eje y el elemento están sostenidos con cojinetes y el conjunto está construido con precisión para evitar rozamientos. No hay engranajes que exijan un mantenimiento. La precisión del instrumento es de ± 1 %
+
Y su campo de medida de - 200 a 5000 C. Termómetro de bulbo y capilar Los termómetros tipo bulbo consisten esencialmente en un bulbo conectado por un capilar a una espiral. Cuando la temperatura del bulbo cambia, el gas o ellíquido en el bulbo se expanden y la espiral tiende a desenrollarse moviendo la aguja sobre la escala para indicar la elevación de la temperatura en el bulbo.
Hay tres clases de este tipo de termómetros: - Clase I Termómetros actuados por líquido - Clase II: Termómetros actuados por vapor - Clase III: Termómetros actuados por gas - Clase IV: Termómetros actuados por mercurio Los termómetros actuados por líquido tienen el sistema de medición lleno de líquido y como su dilatación es proporcional a la temperatura, la escala de medición resulta uniforme. El volumen del líquido depende principalmente de la temperatura del bulbo, de la del capilar y de la del elemento de medición (temperatura ambiente). Por lo tanto, para capilares cortos hasta 5 m, sólo hay que compensar el elemento de medición para evitar errores debidos a variaciones de la temperatura ambiente (clase lB) (fig. a). . Para capilares más largos hay que compensar también el volumen del tubo capilar (clase lA) ( fig. b). Los líquidos que se utilizan son: alcohol y éter.
El campo de medición de estos instrumentos varía entre 150 hasta 500 , dependiendo del tipo de líquido que se emplee . Los termómetros actuados por vapor contienen un líquido volátil y se basan en el principio de presión de vapor. Al subir la temperatura aumenta la presión de vapor del líquido. La escala de medición no es uniforme, sino que las distancias entre divisiones van aumentando hacia la parte más alta de la escala. La presión en el sistema depende solamente de la temperatura en el bulbo. Por con siguiente, no hay necesidad de compensar la temperatura ambiente. Si la temperatura del bulbo es mayor que la temperatura ambiente, el capilar y el elemento de medición están llenos de líquido (clase IIA) (fig. c), siendo necesario corregir la indicación en la diferencia de alturas entre el bulbo y el elemento de medición.
Fig.c
Si la temperatura del bulbo es más baja que la ambiente, el sistema se llena de vapor (clase IIB) fig. d La clase clase IIC, opera con la temperatura del bulbo superior e inferior a la temperatura ambiente (fig. d), Y la clase lID trabaja con la temperatura del bulbo superior, igual e inferior a la ambiente, empleando otro líquido no volátil para transmitir la presión de vapor (fig e).
Fig E Los termómetros actuados por gas están completamente llenos de gas. Al subir la temperatura, la presión de gas aumenta proporcionalmente y por 10 tanto estos termómetros tienen escalas lineales. La presión en el sistema depende principalmente de la temperatura del bulbo,pero también de la temperatura del tubo capilar y del elemento de medición, siendo necesario compensar la temperatura del ambiente en el sistema de medición. Los termómetros actuados por mercurio (clase IV) son similares a los termómetros actuados por líquidos (clase I). Pueden tener compensación en la caja y compensación total (fig. a y b). Termómetros de resistencia La medida de temperatura utilizando sondas de resistencia depende de las características de resistencia en función de la temperatura que son propias del elemento de detección. El elemento consiste usualmente en un arrollamiento de hilo muy fino del conductor adecuado bobinado entre capas de material aislante y protegido con un revestimiento de vidrio o de cerámica. El material que forma el conductor se caracteriza por el llamado «coeficiente de temperatura de resistencia» que expresa a una temperatura especificada, la variación de la resistencia en ohmios del conductor por cada grado que cambia su temperatura. La relación entre estos factores puede verse en la expresión lineal siguiente:
Rt =R0 (1+ ∝ t) en la que: Ro = resistencia en ohmios a 0° C R¡ = resistencia en ohmios a t°C
α = coeficiente de temperatura de la resistencia cuyo valor entre 0° yΩ.Ω −1
100° C es de 0,003850 Ω. Ω
.° C
−1
en la Escala Práctica de Temperaturas Internacional
(IPTS-68). Si la relación resistencia-temperatura no es lineal la ecuación general pasa a:
O bien