Sensores de Temperatura

 

Sensores

Instrumentos de Proceso 

Para ma Para mane neja jarr (o (ope pera rar) r) una una plan planta ta es ne nece cesa sari rio o co cono noce cerr el va valo lorr de la lass propiedades en proceso, utilizar esta información para diagnosticar la mejor  forma de operar el proceso y disponer de medios de modificar el proceso en el grado gra do desead deseado. o. Esta Esta sec secuen uencia cia:: Medir- Medir-eci ecidir dir-!c -!ctua tuar" r" es v# v#lida lida desde desde el manejo de una sola varia$le o propiedad (por ejemplo, para o$tener un cierto flujo es necesario medirlo, compararlo con el flujo deseado y manejar una v#lvula o una $om$a a fin de satisfacer el re%uerimiento) &asta una planta completa donde la medición de una propiedad en el producto terminado puede impl im plic icar ar ac acci cion ones es so$r so$re e oper operac acio ione ness al in inic icio io de la l'l'ne nea a de proc proces eso. o. ado %ue la selección de las varia$les a medir y so$re las %ue actuar es un aspe as pect cto o emp' emp'ri rico co,, sedonde de$e de$er# r# disp dispon oner de un una ade $a $ate ter' r'a a de co cono noci cimi mien ento toss desagregados desde realizar la er selección instrumentos. e entiende porr in po inst stru rume ment nto o ta tant nto o lo loss sist sistem emas as de medi medici ción ón (en (enso sore res) s) co como mo lo loss de manipu man ipulac lación ión (!c (!ctua tuador dores: es: mot motore ores, s, $om $om$as $as,, v#l v#lvul vulas, as, ag agita itador dores, es, etc etc.). .). Sensores y Transductores 

e llama sensor al instrumento %ue produce una seal, usualmente el*ctrica (antao se utiliza$an seales &idr#ulicas), %ue refleja el valor de una propiedad, mediante alguna correlación definida (su ganancia). En t*rminos estrictos, un sensor es un instrumento %ue no altera la propiedad sensada. Por ejemplo, un sensor de temperatura ser'a un instrumento tal %ue no agrega ni cede calor a la masa sensada, es decir, en concreto, ser'a un instrumento de masa cero o %ue no contacta la masa a la %ue se de$e medir la temperatura (un termómetro de radiación infrarroja, p.e.). E+iste, adem#s, el concepto estricto de transductor: un instrumento %ue convierte una forma de energ'a en otra (o una propiedad en otra). Por ejemplo, un generador el*ctrico en una ca'da de agua es un conocido transductor de energ'a cin*tica de un fluido en energ'a el*ctrica" so$re esta $ase se podr'a pensar, por ejemplo, en un transductor de flujo a seal el*ctrica consistente de un pe%ueo generador a paletas movilizado por el caudal a medir. os transductores siempre retiran algo de energ'a desde la propiedad medida, de modo %ue al usarlo para o$tener la cuantificación de una propiedad en un proceso, se de$e verificar %ue la p*rdida no impacte al proceso sensado en alguna magnitud importante. 1

 

SENSOR DE TEMPERATURA

a medida de la temperatura constituye una de las mediciones m#s comunes e import imp ortant antes es efe efectu ctuad adas as en los pro proces cesos os ind indust ustria riales les,, est esta$l a$leci eci*nd *ndose ose sus limitaciones segn el tipo de aplicación, la precisión. elocidad de captación, distancia entre el elemento de medida y el aparato receptor y por el tipo de instrumento indicador, indicador, registrador o controlador necesario. e utiliza una gran variedad de transductores para medir temperatura, algunos de ellos lo convierten directamente en una seal el*ctrica y otros emplean la com$inación con un transductor. os transductores de temperatura m#s comunes son: 

/andas $imetalicas.



0ermopares



etectores de temperatura resistivos (10)



0ermistores ensores de semiconductor 



Pirómetros de radiación.



Termocuplas

as termoc termocupl uplas, as, tam$i* tam$i*n n lla llamad mados os com comn nmen mente te ter termop mopare aress se uti utiliz lizan an e+te e+ tens nsam amen ente te,, of ofre reci cien endo do un ra rang ngo o de te temp mper erat atur uras as ma mass am ampl plio io y un una a construcción ro$usta. !dem#s, no precisan alimentación de ningn tipo y su redu re duci cido do de prec precio io le less conv convie iene ne en in una unaem$argo, op opci ción ón muy mu y atra at ract ctiv iva a algunos para para gran grde ande des sistemas ad%uisición de datos. para superar loss inconvenientes in&erentes a los termopares y o$tener resultados de calidad, es importante entender la naturaleza de estos dispositivos. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO FUNCIONAMIENTO

El comportamiento de un termopar se $asa en la teor'a del gradiente, segn la cual los propios &ilos constituyen el sensor. 2uando se calienta uno de los e+tremos de un &ilo, le produce una tensión en función del gradiente de temperatura tempe ratura desde desde uno de los e+tremos e+tremos del &ilo al otro, y el coeficiente coeficiente de ee$ec3, una constante de proporcionalidad, varia de un metal a otro.

2

 

El sensor sensor es un circuito forma formado do por dos ca$le ca$less distintos, distintos, unidos unidos en am$os e+tremos, desarrollando un voltaje proporcional a la diferencia de temperaturas en las dos uniones a las cuales se les conoce como juntura de medición y  juntura de referencia. Esto se puede puede o$servar en la figura ssiguiente. iguiente.

  4ig. 1epresentación 1epresentación de las uniones uniones o juntura de una temperatura

eyes, curvas 5 ta$las caracter'sticas, tu$os de protección y su selección

El termopar se $asa en el efecto descu$ierto por ee$ec3 en 6786, de la circulación de una corriente en un circuito formado por dos metales diferentes cuyas uniones (unión de medida o caliente y unión de referencia o fr'a) se mantienen a distinta temperatura (fig.6).

ME0! ! 3

 

 

4ig. 6 0 0ermopar. ermopar.  

ME0! /

Esta circulación de corriente obedece obedece a dos efectos termoeléctrico termoeléctricoss combinados: *El efecto efecto Peltier que pro provoca voca la libe liberació raciónn o absorción absorción de calor calor en la unión unión de dos metales distintos cuando una corriente circula a través de la unión. El efecto Peltier   puede ponerse ponerse de manifiesto en el montaje de la figura figura 1 a. En una ccru ru térmica formada  por la unión en su centro de dos metales distintos se !ace pasar una corriente en uno u otro sentido con el interruptor "2 abierto. #espués de cada paso de corriente se abre "1 $desconect%ndose la pila& ' se cierra "2 le'endo en el galvanómetro la f.e.m. creada( que es proporcional a la temperatura alcanada alcanada por la cru térmica en cada caso. )e observar% que restando el calentamiento ó!mico( que es proporcional al cuadrado de la corriente( queda un remanente de temperatura que en un sentido de circulación de la corriente es positivo ' negativo en el sentido contrario. El efecto depende de los metales que forman la unión.



 

+ig 1a *El efecto ,!omson que consiste en la liberación o absorción de calor cuando una corriente circula a través de un metal !omogéneo en el que e-iste un gradiente de temperatura. El efecto ,!omson puede detectarse detectarse en el circuito de la figura 1 b formado  por una barra met%lica met%lica /( con un termopar termopar diferencial 0 aislado ' uuna na bobina  pa para ra calentamiento eléctrico centrada con relación a 0. En régimen( calentando con la  bobina  uno de los puntos( el  por ejemplo( se presentar% una diferencia de temperaturas con el 0( lo que se acusar% en el galvanómetro si a!ora se !ace pasar una corriente por la barra /( se notar% un aumento o disminución de la temperatura diferencial con el efecto contrario si se invierte la corriente.

4

 

+ig. 1b 5a combinación de los dos efectos( de Peltier ' de ,!omson( es la causa de la circulación de corriente al cerrar el circuito en el termopar. Esta corriente puede calentar  el termopar ' afectar la precisión en la medida de la temperatura( por lo que durante la medición debe !acerse m6nimo su valor. Estudios realiados sobre el comportamiento de termopares !an permitido establecer  tres le'es fundamentales fundamentales::

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l. 5e' .de .dell circui circuito to !om !omogé ogéneo neo.. En un con conduc ductor tor met%li met%lico co !omogé !omogéneo neo no pue puede de sostenerse la circulación de una corriente eléctrica por la aplicación e-clusiva. 2. 5e' 5e' de los los me meta tale less inte interm rmed edio ios. s. )i en un ci circ rcui uito to de va vario rioss co cond nduc ucto tore ress la temperatura es uniforme desde un punto de soldadura 0 a otro punto ( la suma algebraic alge braicaa de todas las fuer fueras as electromo electromotrice tricess es total totalment mentee independ independiente iente de los conductores met%licos intermedios ' es la misma que si se pusieran en contacto directo 0 ' . 3. 5e' de las temperaturas sucesivas. 5a f.e.m. generada por un termopar con sus uniones a las temperaturas ,1 ' ,3 es la suma algebraica de la f.e.m. del termopar con sus uniones a ,1 ' ,2 8 de la f.e.m. del mismo termopar con sus uniones a las temperaturas ,2 ' ,3. Por estas le'es se !ace evidente que en el circuito se desarrolla una peque9a tensión continua proporcional a la temperatura de la unión de medida( siempre que !a'a una diferencia de temperaturas con la unión de referencia. 5os valores de esta f.e.m. est%n tabulados en tablas de conversión con la unión de referencia a ; n valor alto de este coeficiente se o$tiene elevando r#pidamente las muestras de car#mica a una temperatura alta en una atmósfera rica de o+'geno. Este se logra al penetrar el o+'geno en los poros del cristal durante el periodo de enfriamiento al proceso de descarga.. os #tomos de o+'geno %ue se &an a$sor$ido so$re los superficies de cristal atraen a los electrones a una zona delgada del cristal semiconductor semiconductor.. Esto &ace %ue se formen unas $arreras de potencial el*ctrico %ue consisten en una superficie de carga negativa con, (so$re am$os lados), capas delgadas %ue tien ienen una carga positi itiva (&uecos), como resultado a&ora, ra, de la descom des compen pensac sación ión por el dop dopaje aje co con n iones. iones. Est Estas as $ar $arrer reras as pro provoc vocan an un una a resistencia e+tra al termistor termistor,, e+puesto por la fórmula: R( )* +,a #) * directamente proporcional a'

-e

e-$(,.T

 

donde XaY representa el tamao de los cristales, y as' 6Aa es el nmero de $arreras por unidad de longitud del t&ermistor, y $ representa el potencial de las $arreras. 2omo $ es inversamente proporcional al valor de la constante diel*ctrica de los cristales, 1$ es sumamente sensi$le a las variaciones de dic&a constante diel*ctrica. 0al variación en la constante diel*ctrica es una propiedad especial de materiales %ue tienen una naturaleza ferroel*ctrica como es el caso en el compuesto /a0iCT y sus soluciones sólidas. i por su ferroe fer roelec lectri tricid cidad ad la tempe temperat ratura ura de 2ur 2urie ie   es so$repas so$repasada, ada, la cons constante tante diel*c die l*ctric trica a relativ relativa a dis dismin minuye uye con el aumen aumento to de la temper temperatu atura ra seg segn n la siguiente relación mostrada en la fórmula: r 

 * C , #T /   *

donde 2 tiene un valor apro+imado de 69? H I. 2omo resultado, la resistividad aume au ment nta a fu fuer erte teme ment nte e al su su$i $irr la te temp mper erat atur ura a de 2u 2uri rie e . M#s all# de la temperatura de 2urie, las $arreras son d*$iles o no e+isten, de$ido por un lado a los altos valores de la constante diel*ctrica del /a0iCT en esas zonas, y por  otro lado al resultado de la polarización espont#nea de los cristales para poder  comp co mpen ensa sarr los los inte interc rcam am$i $ios os de la zo zona na de un unió ión. n. o oss el elec ectr tron ones es so son n capturados en la zona de unión y gradualmente li$erados en proporción al aumento de la temperatura deluna termistor P02 con el respecto temperatura de conmutación, ocasionando disminución de las $arrerasadesupotencial. 2H

 

Esto sign Esto signifific ica a %u %ue e el te term rmis isto torr P02 P02 pi pier erde de su suss prop propie ieda dade dess y pu pued ede e comp co mpor orta tars rse e ev even entu tual alme ment nte e de una una fo form rma a si simi mila larr al term termis isto torr F0 F02 2 si la temperatura llega a ser demasiado alta. as aplicaciones de un termistor P02 termistor est#n, por lo tanto, restringidas a un determinado margen de temperaturas .  e$ido al efecto producido en el cristal por la zona de unión el termistor P02 apar ap arec ece e un una a re resi sist sten enci cia a e+ e+tr tra a 1$ %u %ue e se pu pued ede e ev evititar ar co colo loccando ando un condensa cond ensador dor en paralelo paralelo con una capacid capacidad ad alta 2$. Esto nos lleva a una dependencia de de nuestra imped impedancia ancia Z$ con la frecuencia &asta ? MGz. TERMISTORES TERMISTORE S PTC-/PROPIEDADES E%ECTRICAS Caracter0sticas Resistencia,T Resistencia,Temperatura emperatura

a figura 6 muestra una comparación de t'pica entre las curvas caracter'sticas resistanciaAtemperatura de un termistor P02 y una F02

4ig. 6

Caracter0sticas Corriente,$olta1e

 a caracter'stica est#tica corrienteAvoltaje nos muestra los limites de corriente en los los %u %ue e pu pued ede e tr tra$ a$aj ajar ar un te term rmis isto torr P02. P02. e o$se o$serv rva a %u %ue e &a &ast sta a un determinado valor de voltaje, la caracter'stica DA sigue la ley de C&m, pero la la resi resist sten enci cia a au aume ment nta a cu cuan ando do la co corr rrien iente te %ue %ue pa pasa sa po porr el term termis isto torr P0 P02 2 provoca un calentamiento y se alcance la temperatura de conmutación (ver  4ig.8).

2J

 

4ig. 8 a caracter'stica DA depende de la temperatura am$iente y del coeficiente de transferencia de calor con el respecto a dic&a temperatura am$iente. 2omo puede verse en la 4ig.8 las caracter'sticas se di$ujan so$re una escala lineal, sin em$argo es m#s comn di$ujarlas so$re una escala logar'tmica (ver 4ig.T), donde se tiene una visión m#s clara de su comportamiento.

4ig. T Es po posi si(l (le e ca calc lcul ular ar el pi pico co de la ca cara ract cter er0s 0stic tica a I, I,$ $ si se co cono noce cen n la las s caracter0sticas R,T y el 2actor de disipación #D'

  El factor de disipación (mVAHI) es la razón (a una temperatura am$iente especificada) entre la variación de la disipación de potencia en un termistor, y la variación de la temperatura en el propio cuerpo d el convención, el factor de disipación ressolo istor.puede calcularse conoci*ndose el Por 2I

 

valor de pico ico de la curva DA de curv rva a, y &aciendo uso del punto correspondiente so$re la caracter'stica 1A0 Por definición: a potencia el*ctrica inyectada al termistor P02 es: P * R - I3

donde 1 es la resistencia (antes de la conmutación) a 0 0am$. am$. a potencia disipada por la cer#mica viene dada por: D * # Ts / Tam('

donde 0s es la temperatura de conmutación y 0am$ es el la temperatura am$iente, entonces: R - I3 * # Ts / Tam(' Recordar4 Esta ecuación solamente es !5lida para temperaturas in2eriores a Ts-

a corriente de disparo (Dt) se define como la m'nima corriente %ue puede garantizar %ue se provo%ue la conmutación del termistor, y se puede calcular  utilizando la fórmula: R - It3 * D 6Ts / #Tam( 7 t'8

donde 1 es la resistencia del termistor a la temperatura 0s. Form Fo rmal alme ment nte, e, se su suma ma  tH 2 a la 0am 0am$ $ pa para ra ma mant nten ener er un ma marg rgen en de seguridad en orden de asegurar la conmutación del termistor de$ido a posi$les ine+actitudes en los valores de 0s y 0am$. a corriente de no disparo (Dnt) se define como la corriente m#+ima %ue garantiza la no conmutación del termistor, y viene dado por: R - Int3 * D 6Ts / #Tam( / t'8 Por

lo

tanto

>n margen de seguridad de - tH 2 de$e mantenerse para asegurar %ue el t&ermistor no conmutar#. a inclinación de la caracter'stica 1A0 est# propiciada por una serie de par#metros de producción. a relación entre las caracter'sticas 1A0 e DA se demuestra claramente en las figuras [ y ?.

3

 

4ig. [

4ig ? Termistores PTC en serie con una cara

Puede verse clara Puede claramente mente a partir de la carac caracter'st ter'stiva iva DA %ue, de$ido de$ido a la no linealidad de la curva del termistor P02, e+isten tres posi$les puntos de tra$ajo cuando se conecta una carga 1 en serie con un termistor P02 (ver 4ig.