sesion03 Sensores de temperatura

Texto completo

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Sensores de Temperatura

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Contenido de la sesión.

• Termistores

• Sensores RTD

• Termopares

• Accesorios de montaje

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Capacidad Terminal.

• Reconocer el principio de construcción y

funcionamiento de dispositivos de medición y control industrial.

• Seleccionar elementos de medición y control

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¿Cuál es la diferencia entre un sensor

PT100 y una Termocupla tipo J?

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INSTRUMENTOS DE TEMPERATURA

Se pueden dividir en tres grupos:

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Termistores

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Termistores

• Un termistor es un elemento de detección de temperatura

compuesto por material

semiconductor sinterizado que presenta un gran cambio en la resistencia en proporción a un

cambio pequeño en la temperatura. En general, los termistores tienen coeficientes de temperatura

negativos, lo que significa que la resistencia del termistor disminuye a medida que aumenta la

temperatura.

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Termistores

Sensores de temperatura

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Termistores

A diferencia de los RTD, que cambian la

resistencia de un modo casi lineal, los termistores NTC presentan un cambio de la resistencia

claramente no lineal y, de hecho, reducen su resistencia al aumentar la temperatura. Las razones de que los termistores sigan siendo populares para medir la temperatura son:

• Su mayor resolución

• Alto nivel de repetibilidad y estabilidad

• Excelente capacidad de intercambio

• Tamaño pequeño

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Termistores.

- Simbología -

temperaturaSensores de

• Símbolo NTC (Negative Temperature Coefficient), el signo menos indica que la sensibilidad es negativa.

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- Tecnología de fabricación -

Termistores NTC

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Termistores NTC.

- Comparación – Gota y Disk -

Termistores NTC

• Los termistores tipo bead (perla) son más estables y soportan mayores temperaturas (hasta 550°C) que los metalizados, por el contrario, su tolerancia y su coste son mayores.

• Los termistores no son tan estables como las RTDs; para mejorarla suele controlar la calidad de los

materiales utilizados en su fabricación y someterse a las unidades a un proceso de envejecimiento a

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Termistores NTC.

• Al subir la temperatura la resistencia eléctrica del termistor NTC desciende y deja pasar mucha

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Termistores NTC.

- Curva característica R-T -

Termistores NTC

• Relación entre la resistencia y la temperatura no es lineal.

• Sensibilidad elevada a bajas temperaturas.

• El coeficiente de temperatura α es diez veces mayor que en los RTDs.

• La resistencia nominal Ro generalmente se da a 25°C (298K). Los valore mas

comunes son 10 MΩ y 20 MΩ.

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Termistores PTC.

• Los PTCs son termistores con

coeficientes de temperatura positivo. Presentan la propiedad de

experimentar un cambio brusco en su valor resistivo cuando la temperatura supera un valor crítico característico del material.

• Están fabricados con materiales

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Características R-T.

• A temperaturas menores a Ts, la PTC manifiesta un comportamiento similar al de los semiconductores, con

coeficiente de temperatura negativo.

• A temperatura Ts (temperatura de Curie) la resistencia se incrementa rápidamente.

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Aplicaciones.

Calentadores autoregulados. Protección sobrecorrientes Supresión de arcos

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RTD’s

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Introducción

temperatura de resistencia metálica

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Características generales.

temperatura de Sensores de resistencia metálica

• Los metales se caracterizan por poseer coeficientes térmicos positivos de variación de la resistencia eléctrica; ello es producto de que al aumentar en los mismos la energía interna aumenta su resistividad.

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Características generales.

temperatura de resistencia metálica

• Esta propiedad se usa, desde hace tiempo, en el diseño y construcción de sensores de temperatura de resistencia metálica RTD (Resistance Temperature Detector).

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Resistividad y coeficiente térmico.

temperatura de Sensores de resistencia metálica

• La siguiente tabla presenta la resistividad y el coeficiente térmico de variación de la resistencia a la temperatura ambiente para algunos metales comúnmente

empleados en la construcción de RTDs.

𝑹𝑻 = 𝑹𝟎(𝟏 + 𝜶. ∆𝑻 + 𝜷∆𝑻𝟐 + 𝜸∆𝑻𝟑 + ⋯

𝑅

𝑇

= 𝑅

0

(1 + 𝛼. ∆𝑇)

𝑷𝒂𝒓𝒂 𝒖𝒏𝒂 𝑹𝑻𝑫 𝒅𝒆 𝒑𝒍𝒂𝒕𝒊𝒏𝒐: 𝜷 = −𝟓. 𝟕𝟕𝟓 ∗ 𝟏𝟎−𝟕𝑲−𝟐; 𝜸 = −𝟒. 𝟏𝟖𝟑 ∗ 𝟏𝟎−𝟏𝟐𝑲−𝟑

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Resistividad y coeficiente térmico.

temperatura de resistencia metálica

𝑹

𝑻

= 𝑹

𝟎

(𝟏 + 𝜶. 𝒕)

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Curva de calibración.

Pt100

-Sensores de temperatura de resistencia metálica

• El valor de la resistencia Rt para la temperatura de

cero grados centígrados se denomina Ro.

• La figura presenta una parte de la curva de

calibración de una RTD de platino conocida como Pt100 para la que el valor de la resistencia Ro es 100 ohm.

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… Curva de calibración.

temperatura de resistencia metálica

• La figura muestra la curva de

calibración normalizada a Ro para tres RTDs de diferentes materiales en el margen de -200 a +300°C.

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Tipos de RTD.

Atendiendo a su forma constructiva

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Estructura RTD Industrial.

Sensores de temperatura de resistencia metálica

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- Atendiendo a las características del medio -

resistencia metálicatemperatura de

• Características del medio. Vinculado a su tecnología de

fabricación, se diferencian las de inmersión en fluidos (líquidos y gases) de las de contacto

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Tipos de RTD.

Atendiendo al tipo de metal utilizado

-Sensores de temperatura de resistencia metálica

Platino: amplio margen de trabajo lineal, elevada

estabilidad temporal y

pequeñas deformaciones en un amplio margen de

temperatura.

Wolframio: para trabajo en

muy altas temperaturas y pocas exigencias de precisión.

Cobre: para bajas temperaturas y pocas exigencias de precisión.

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- Atendiendo al Ro -

resistencia metálicatemperatura de

• Atendiendo al valor del a resistencia de cero grados

centígrados, siendo los valores más utilizados 100, 500 y

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Tipos de RTD.

Atendiendo a su precisión

-Sensores de temperatura de resistencia metálica

• Existen normas que clasifican a las RTDs en función de su

tolerancia. Por ejemplo la

norma UNE – EN 60751 precisa dos clases de tolerancia para las RTDs de platino: clase A y B. En la clase A, el error en la

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- Puente de Wheatstone -

resistencia metálicatemperatura de

• Se utiliza para medir resistencias desconocidas mediante el equilibrio de los brazos del puente. Estos están constituidos por cuatro resistencias que forman un circuito cerrado,

siendo una de ellas la resistencia bajo medida.

𝑹

𝟏

𝑹

𝟑

=

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Acondicionamiento.

Puente de Wheatstone en función de la temperatura

-Sensores de temperatura de resistencia metálica

𝑆𝑖 𝑅1 = 𝑅2 = 𝑅 = 𝑟𝑅𝑜 𝑦 𝑅3 = 𝑅𝑜.

R R

Ro

Rt = Ro(1+αt)

𝐴𝑝𝑙𝑖𝑐𝑎𝑛𝑑𝑜 𝑑𝑖𝑣𝑖𝑠𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖ó𝑛.

𝑉𝑠 = 𝑉. 𝑟. α𝑡

(𝑟 + 1)(𝑟 + 1 + α𝑡)

𝐴𝑠𝑢𝑚𝑖𝑒𝑛𝑑𝑜 𝑞𝑢𝑒 α𝑡 𝑒𝑠 𝑚𝑢𝑐ℎ𝑜 𝑚𝑒𝑛𝑜𝑟 𝑞𝑢𝑒 1.

𝑽𝒔𝑳 = 𝑽. 𝒓. 𝜶𝒕 (𝒓 + 𝟏)𝟐

(No es lineal)

(Lineal)

𝐶á𝑙𝑐𝑢𝑙𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑒𝑟𝑟𝑜𝑟 𝑐𝑜𝑚𝑒𝑡𝑖𝑑𝑜.

𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟𝐿𝑉 % = 𝑉𝑠 − 𝑉𝑠𝑙

𝑉𝑠 . 100% 𝑬𝒓𝒓𝒐𝒓𝑳𝑽 % = −

𝜶. 𝒕

𝒓 + 𝟏. 𝟏𝟎𝟎% 𝑆𝑖 "r" aumenta, el error disminuye

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- Puente de Wheatstone – Sensibilidad -

resistencia metálicatemperatura de

𝑺𝑳𝑽 = 𝒅𝑽𝒔𝑳

𝒅𝒕 = 𝑽. 𝜶.

𝒓 (𝒓 + 𝟏)𝟐 • La sensibilidad del

sistema RTD-Puente es la razón de cambio de la salida del puente Vs respecto al cambio de la temperatura del RTD.

R R

Ro

𝑬𝒔 𝒊𝒏𝒅𝒆𝒑𝒆𝒏𝒅𝒊𝒆𝒏𝒕𝒆 𝒅𝒆 𝒍𝒂 𝒗𝒂𝒓𝒊𝒂𝒃𝒍𝒆 𝒂 𝒎𝒆𝒅𝒊𝒓.

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- 2 hilos -

resistencia metálicatemperatura de

• La resistencia de los hilos R2 y R3 se incluyen, inevitablemente en el valor medido. La

resistencia de hilo puede ser anulada mediante cálculo, R=PL/ø, pero solo seria valido para la temperatura en ese momento y para un cálculo aproximado, no valido para una

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Conexión remota del puente.

3 hilos

-Sensores de temperatura de resistencia metálica

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- 4 hilos -

resistencia metálicatemperatura de

• Se requiere generar una corriente constante (0.1-1mA) por los hilos L1 y L4

• Seguimos con la ley de Ohm, R=V/I, podemos calcular la resistencia

• El Voltímetro digital tiene una impedancia de entrada mínima de 10 MOhm. La corriente que pasa por el

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Termopares

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Introducción.

(42)

Principio de funcionamiento.

Introducción

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Ley de circuitos homogéneos.

funcionamiento

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Ley de los metales intermedios.

Principio de funcionamiento

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(46)

Necesidad de un circuito con dos metales.

Principio de funcionamiento

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(51)

… Tipos de termopares.

funcionamiento

Unión a masa: la unión hace contacto con la cápsula. Suele ser la más utilizada debido a que el termopar queda protegido del ambiente sin que se reduzca excesivamente el tiempo de respuesta.

Unión aislada: La unión está separa de la cápsula mediante aislante eléctrico de elevada conductividad térmica (normalmente óxido de magnesio). Adecuado para medir temperatura de líquidos conductores.

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Ejercicio

• Calcular el valor de la tensión de salida del puente Wheatstone correspondiente a una temperatura de 100 grados centígrados en la termorresistencia.

• ¿Cuál es la corriente que circula por el elemento primario?

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Curvas de calibración.

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Curvas de calibración.

- Termopar tipo K –

(Unión de referencia = 0°C)

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Acondicionamiento.

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Acondicionamiento.

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Accesorios de montaje

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Termopozos

Temperatura

Las vainas de protección (termopozos) cumplen dos funciones básicas:

• Proteger la unidad de medida (termopares, termistores y

termómetros bimetálicos) contra los fluidos agresivos.

• Garantizar la posibilidad de sustitución durante el

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Termopozo

Temperatura

• También aumentan la longevidad del

sensor, permiten la sustitución del sensor sin necesidad de vaciar el sistema y

reducen la probabilidad de contaminación.

• Los Termopozos diseñados para

aplicaciones de alta presión normalmente se mecanizan a partir de barras para

garantizar su integridad.

• Los Termopozos más pequeños para uso en entornos de baja presión se pueden

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Termopozo

Temperatura

• Los termopozos pueden ser

conectados a un RTD, termistor o termopar por medio de varios tipos diferentes de conexión.

• Algunos de los más comunes son:

 Roscado (Threaded)  Soldable (Weld-in)

 Para conexión soldable (Socket weld)

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Transmisor de temperatura

Sensores de Temperatura

• Son equipos que permiten linealizar y acondicionar una señal.

• Con un transmisor de temperatura es posible que señales provenientes de termopares y RTD se extiendan longitudes más allá de las que los sensores por sí solos permiten, garantizando una señal altamente estable y confiable, la salida 4 a 20 mA es uno de los medios más populares para la transmisión de señal y control eléctrico en la industria aunque también existen salidas a

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Transmisor de temperatura: Funcionamiento

Temperatura

• La señal suministrada por una termorresistencia Pt100

(conexión a 2, 3 ó 4 hilos) se amplifica en la etapa de entrada.

• La tensión proporcional a la magnitud de entrada se digitaliza por medio de un multiplexor en un convertidor

analógico-digital.

• El microcontrolador realiza la conversión de la señal en función de la característica del sensor y de otros parámetros (rango de medición, amortiguación, temperatura ambiente, etc.).

• La señal preparada se transforma en una corriente continua de 4 a 20 mA independiente de la carga en un convertidor

digitalanalógico.

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Transmisor de temperatura: Conexión

Sensores de Temperatura

• La terminal de signo positivo deberá ser llevada en la mayoría de los casos a la terminal positiva de la fuente de alimentación.

• Los transmisores de temperatura deben ser

alimentados por una fuente de alimentación de corriente directa (24V).

• La terminal negativa del transmisor deberá ser conectado a la terminal positiva del controlador, plc o visualizador.

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¿Cuál es la diferencia entre un sensor

PT100 y una Termocupla tipo J?

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Bibliografia

• Instrumentación Electrónica, Miguel A. Pérez García. Ed Thomson Paraninfo 2da Ed.

• https://www.youtube.com/watch?v=h2AhibEAno4

• https://www.youtube.com/watch?v=CA1SPtFDRX0

• https://www.youtube.com/watch?v=AZMvjZGvsHs

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