UNIVERSIDAD TÉCNICA DEL NORTE

FACULTAD DE INGENIERÍA EN CIENCIAS APLICADAS

INGENIERÍA EN MECATRÓNICA

INSTRUMENTACIÓN

TEMA: SENSORES DE TEMPARATURA

INTEGRANTE: Miguel Carapaz

Tema: Sensores de Temperatura

Objetivos:General:

Comprender el funcionamiento de los diferentes sensores de temperatura a través de la experimentación; con el propósito de aplicar al campo de la ingeniería.

Específicos:

Interpretar las gráficas V – R que cada uno de los sensores presenta.

Diferenciar cual de los elementos utilizados como sensores de temperatura brinda mayor precisión.

Marco Teórico:IntroducciónProbablemente sea la temperatura el parámetro físico más común que se mide en una aplicación electrónica, incluso en muchos casos en que el parámetro de interés no es la temperatura, ésta se ha de medir para incluir indirectamente su efecto en la medida deseada. La diversidad de sus aplicaciones ha condicionado igualmente una gran proliferación de dispositivos sensores y transductores, desde la sencilla unión bimetálica de los termostatos, hasta los dispositivos semiconductores más complejos.

Tipos de Sensores de Temperatura

Termopares: Los termopares utilizan la tensión generada en la unión de dos metales en contacto térmico, debido a sus distintos comportamientos eléctricos.

Resistivos: Lo constituyen las RTD (Resistance Temperature Detector) o PT100 basadas en la dependencia de la resistividad de un conductor con la temperatura, están caracterizadas por un coeficiente de resistividad positivo PTC (Positive Termal Coefficient). También lo son las NTC (Negative Termal Coefficient), que se llaman termistores y están caracterizadas por un coeficiente de temperatura negativo.

Semiconductores: Se basan en la variación de la conducción de una unión p-n polarizada directamente.

Digitales: en esta clasificación se encuentra el integrado LM35. Es un sensor de temperatura que únicamente tiene tres terminales, una que corresponde a la de alimentación al voltaje positivo, otra terminal que se conecta a GND, y la tercera es la que entrega un valor de voltaje en función a la magnitud de temperatura a la

que está sometido. Este sensor de temperatura tiene la capacidad de medir temperaturas dentro de un rango de –55°C a +150 °C que en voltajes corresponde a –55mV a +1500mV. La ventaja, al emplear este integrado, radica en el hecho de que el nivel de voltaje que entrega de acuerdo a la temperatura que mide, ya se encuentra calibrada en ºC, además de que cada incremento de 10mV equivale a 1ºC.

Circuitos Implementados:

Se realizan cuatro diferentes circuitos, de acuerdo a los sensores de temperatura que se están analizando.

1. PTC (Coeficiente de Temperatura Positivo)2. NTC (Coeficiente de Temperatura Negativo)3. Diodo (Elemento de Silicio 1N4007)4. LM 35 (Sensor de Temperatura digital)5. Multímetro

Procedimiento

a) Para los sensores de temperatura resistivos (NTC, PTC) como para el elemento semiconductor, el dispositivo de variación de temperatura fue directamente expuesto hacia cada uno de los sensores.

b) El sensor digital (LM 35), detecta el cambio de temperatura por la entrada o Pin 1.

c) Determinar los diferentes valores que presentan los sensores al cambio de temperatura. Los elementos PTC y NTC relacionan el aumento y disminución de la variable resistiva respectivamente. En cambio el semiconductor y el sensor digital demuestran su variación de temperatura en la variable física de voltaje.

Tabla de Datos

NTCTEMPERATURA (°C) RESISTENCIA (Ω)

1 24 19,22 25 253 29 304 33 355 35 406 38 457 42 508 44 559 45 60

10 46 65

d) Las tablas obtenidas de cada uno de los sensores deben ser graficadas, para asegurar que el circuito de acondicionamiento que se realice cuente con datos lineales, caso contrario se procede obtener datos que gráficamente demuestren una recta.NOTA: Únicamente se adjunta una gráfica por razones de demostración, ya que todas necesitan ser linealizadas.

Gráficas T – V

PTCTEMPERATURA (°C) RESISTENCIA (MΩ)

1 23 13,122 30 103 45 84 50 75 55 66 70 47 77 38 82 29 103 1

10 114 0,5

DIODOTEMPERATURA (°C) VOLTAJE (mV)

1 0 252 0,55 303 1,79 424 1,74 515 1,3 806 1,17 887 0,88 958 0,48 989 0,44 100

10 0,38 107

LM 35TEMPERATURA (°C) VOLTAJE (mV)

1 26 0,2822 30 0,2883 42 0,3034 56 0,3235 72 0,3566 76 0,377 80 0,388 86 0,419 93 0,46

10 99 0,5

26 30 42 56 72 76 80 86 93 990

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

LM 35

Temperatura

Volta

je (m

V)

Circuito de Acondicionamiento:

a) Cada una de las tablas de datos obtenidas están linealizadas de acuerdo a lo siguiente:

- El alcance de todos los sensores con respecto a la temperatura se linealizará desde un valor mínimo de 4 °C hasta un máximo de 40 °C.

- La temperatura se relacionará respectivamente con valores de voltaje amplificados mínimos de OV y de 10V como voltaje máximo.

- La amplificación de voltajes en el rango de mili voltios estará determinada por el uso de amplificadores operacionales inversores como también del uso del amplificador de instrumentación (Tl 084).

- La visualización de los diferentes cambios de temperatura estará implementado en el encendido de 10 Leds. El integrado encargado de la comparación de voltajes será el LM3914.

Laboratorio Linealización

LM 35

TEMPERATURA (°C) VOLTAJE (mV) TEMPERATURAVOLTAJE

(mV)1 26 0,282 4 0,22 30 0,288 8 0,243 42 0,303 12 0,284 56 0,323 16 0,35 72 0,356 20 0,346 76 0,37 24 0,387 80 0,38 28 0,48 86 0,41 32 0,449 93 0,46 36 0,48

10 99 0,5 40 0,5

Materiales

LM 35 Lm 3914 LM 324 R1 = 2,2 kΩ R2 = 10 kΩ R3 = 22 kΩ Pot = 10kΩ Diodo Led 10 Fuente 10V

1 2 3 4 5 6 7 8 9 100

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

LM 35

LM 35

Temperatura

Volta

je (m

V)

Conclusiones:

La característica de resistencia/temperatura de los sensores de temperatura de silicio es casi lineal, pero en algunas aplicaciones es necesario mejorar esta linealización, como en sistemas de control que requieren una alta exactitud.

Para obtener el voltaje necesario de amplificación debemos de ser cuidadosos con el valor de resistencias que vamos a utilizar, ya que de estas depende que el circuito realice un desempeño correcto.

El efecto de Coeficiente Negativo con la Temperatura puede resultar de un cambio externo de la temperatura ambiente o un calentamiento interno debido al efecto Joule de una corriente que fluye a través del termistor. La curva del termistor se puede linealizar con una resistencia montada en paralelo con la NTC. Los termistores se pueden conectar directamente a la entrada de un circuito de acondicionamiento.

La corriente de conducción de una unión p-n polarizada directamente, responde exponencialmente con la tensión de forma directa, e inversa con la temperatura.

La familia de sensores de temperatura de silicio de Infineon y Philips KTY son de alta exactitud, lineales y con una excelente estabilidad a lo largo del tiempo, son una alternativa a los sensores más convencionales basados en la tecnología NTC o PTC.

Los sensores de temperatura de silicio muestran una característica casi lineal comparada con la característica exponencial de las NTC. Esto significa que tienen

un coeficiente de temperatura qué es casi constante en todo el rango de temperatura.

Recomendaciones:

Tener cuidado con las conexiones de las fuentes de voltaje.

Antes de realizar las conexiones del circuito, revisar cada una de las características

principales de los elementos.

Tener cuidado en las comprobaciones de los circuitos ya que se trabaja con

elementos de potencia, que pueden afectar el bienestar de los investigadores.

Bibliografía:

Reitz, J.R. et al., Fundamentos de la Teoría Electromagnética, Addison-Wesley, 4a edición., 1996

Instrumentación Industrial Dr. Ing. Industrial Antonio Creus Solé