Medida de La Temperatura
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Leccin 8
Medida de la temperatura
8.1 Introduccin
8.2 CI semiconductores
8.3 Termistores
8.4 RTDs
8.5 Termopares8.6 Pirmetros de radiacin
F. J. Ferrero-2006
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0 a +200C
No lineales
Autocalentamiento
Requiere excitacin
Salida alta
Rpidos
Baratos
Alta sensibilidad
-200 a 850C
Requiere excitacin
Pequeo R
Baja R absoluta
Autocalentamiento
Estabilidad
Exactitud
Mas lineales que
termopar
-55 a 150C
Requiere fuente
de excitacin
Lineales: 1C
10mV/K o 1A/K
Exactitud: 1C
Repetibilidad: 0-1C
Autocalentamiento
No lineales
Tensin salida baja
Compensacin
unin fra
Estabilidad
-184 a 2300C
Robustos
Variedad
Repetibilidad
Generador
V
T
TermoparTermistor
R
T
CI semiconductor
V (I)
T
RTD
R
T
8.1 Introduccin
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( )O N kTV V-V ln Nq
= =
I
CI semiconductor
V VN
R Vo
Los circuitos anteriores no se pueden utilizar por si slos debidos a la fuerte
dependencia de IS con la temperatura, pero si tenemos que la corriente IC es
igual en un transistor BJT y en los N BJTs entonces la diferencia de potencial
entre V y VN ser proporcional slo a la temperatura absoluta.
El circuito de la figura permite obtener dicha diferencia de potencial. Consta
de N+1 transistores NPN, una resistencia estable a la temperatura y un espejo
de corriente PNP. El circuito se completara con la circuitera necesaria para
conmutar los transistores a ON cuando se aplica una tensin.
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Alimentacin: 4V a 30V
Ganancia: 10 mV/C (LM35); 1,0 A/K (AD590)
Margen de temperatura: -55C a 150C
Exactitud: 0,5 1 C
LM35
+Vcc
-+
10mV/C
Salida analgica
AD590 I =1A/K
+ Vcc
10k
(0,1%)
La figura muestra dos ejemplos de sensores comerciales con salida analgica
proporcional a la temperatura, uno con salida en tensin, el LM35 de National
Semiconductor y otro con salida en corriente, el AD590 de Analog Devices. El
sensor con salida en corriente es particularmente adecuado en ambientes
industriales con altos niveles de ruido elctrico. En la transmisin de informacin
en bucle de corriente se tiene una relacin S/N mejor que en tensin. La
resistencia que lee la corriente ha de ser estable termicamnete y de alta
precisin (0,5 0,1%).
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Sensor de
temperatura
TMP05
Modulador
digital
C
Timer
TH
TL
T (C) = 421 - [751x(TH/TL)]
Margen: -40C a +150C
Resolucin: 0,025C
Modo daisy-chain
PWM
Salida digital
El formato de seal analgica es adecuado en entornos analgicos, tales como
bucles de control de temperatura, pero cada vez ms es necesario disponer de la
salida en formato digital para su posterior procesamiento.
El formato digital ms simple es una seal PWM la cual puede ser llevada
directamente a un microcontrolador. Se puede utilizar un timer del
microcontrolador para extraer la informacin de temperatura del tren de pulsos
comparando la relacin entre el tiempo a nivel alto y a nivel bajo. Dado que es
una medida ratiomtrica, es inmune a cualquier variacin de tiempo en el
oscilador. Como ejemplo la figura muestra el TMP05 de Analog Devices. Es un
sensor de temperatura de bajo coste con salida PWM con una relacin que
cambia en respuesta a cambios de temperatura.
En algunos casos la temperatura medida debe ser aislada elctricamente (p.een aplicaciones industriales de alta tensin) donde la temperatura est siendo
monitorizada por razones de seguridad. En estos casos se puede emplear un
optoacoplador para acoplar el tren de pulsos. Si se requiere monitorizar la
temperatura en varios puntos se pueden conectar mltiples dispositivos en daisy-
chain. El circuito puede integrar adems la circutera para convertir la seal al
formato de los buses serie SPI o I2C tpicos de los microcontroladores.
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Sensores resistivos de temperatura de bajo coste
NTC: Resistencia disminuye con la temperatura
PTC: Resistencia aumenta con la temperatura
8.3 Termistores
Los termistores son sensores de temperatura de tipo resistivo de bajo coste.
Se dividen en dos grupos atendiendo al signo del coeficiente de temperatura de
la resistencia:
NTC que presentan un coeficiente de temperatura negativo. PTC con un coeficiente de temperatura positivo.
Las NTCs son resistencias de material semiconductor constitudas por una
mezcla de xidos metlicos. El aumento de temperatura aporta la energa
necesaria para que se incremente el nmero de portadores capaces de moverse,
lo que lleva a un incremento en la conductividad del material, reducindose la
resistencia.
Si el dopado de impurezas es muy intenso, el semiconductor adquiere
propiedades metlicas con coeficiente de temperatura positivo (PTC) en un
margen de temperaturas limitado.
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Caracterstica R-T
La figura muestra la caracterstica R-T de una NTC. Se observa que la
relacin entre la resistencia y la temperatura no es lineal, sobre todo, cuando se
considera un margen de temperatura amplio. Por otro lado vemos que la
sensibilidad es muy grande a bajas temperaturas y va disminuyendo conforme
aumenta esta. Una sensibilidad alta es una caracterstica muy deseable de
cualquier sensor; de hecho, es la mayor ventaja de los termistores frente a otros
sensores de temperatura.
La resistencia nominal de una NTC hace referencia a su valor resistivo a una
temperatura de referencia, generalmente 25 C (298 K). Los valores de
resistencia nominal ms comunes varan entre 10 y 20 M.
.
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RT = Resistencia del termistor a T (K)
R0 = Resistencia del termistor a T0 (K)
B = Temperatura caracterstica del material (K)
0
1 1BT T
T 0R R e =
1 2
1 2
ln(R /R )B
1 1
T T
=
Modelo matemtico
T
2
T
dR dT B
R T = = Coeficiente de temperatura o sensibilidad
Para las NTC, en un margen de temperatura reducido (50C), la dependencia
entre RT y T se puede considerar de tipo exponencial de la forma:
RT=R0exp {B(1/T-1/T0)}
donde R0 es la resistencia a una temperatura de referencia (generalmente 25C),
y T0 es dicha temperatura expresada en kelvins. El parmetro B es la
denominada temperatura caracterstica del material, y tiene valores de 2000 K a
5000 K, pero vara con la temperatura, aumentando al aumentar esta. El valor de
B se puede encontrar midiendo la resistencia del termistor a dos temperaturas
conocidas T1 y T2.
El error cometido al emplear el modelo anterior, en el margen de 0 a 50C, esdel orden de 0,3C. Un modelo alternativo es la ecuacin empirca de Steinhart
y Hart, RT = exp {A+B/T+C/T3} o de forma equivalente:
1/T = a + blnRT + c(lnRT)3
con la que se logran errores de slo 0,01C en un margen de 100C.
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Circuito de medida
O
T
RV V
R R=
+
RT
R
+V
R= 1%, pelcula metlica
V= referencia de tensin
La aplicacin ms comn de las NTC es la medida de la temperatura. La
estimacin de la temperatura puede realizarse de forma digital o analgica. En el
modo digital se usa un computador que, utilizando el modelo del termistor,
calcula el valor correspondiente de temperatura a partir de la medida del valor
resistivo de la NTC.
La forma analgica de medir la temperatura consiste en aadir una
resistencia en serie o en paralelo con el termistor para conseguir una respuesta
que se aproxime ms a la lineal. La solucin ms simple empleada para la
medida de la temperatura es el divisor de tensin de la figura. Este circuito
permite que la tensin de salida se incremente linealmente conforme lo hace la
temperatura. Puede incluirse en R la carga relacionada con el circuito externo de
medida (cables e impedancia de entrada) consiguiendo resultados ms precisos.
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( )2
mx
max max
V / 2P T V 2 TR
R=
Si RT = R La NTC disipar Pmax
Clculo de R
C
cT
c
B 2TR R
B 2T
=
+
2
o
2
d v (T)0
dT= TC=(T1+T2)/2
Autocalentamiento:
Forzar un punto de inflexin en la curva R-T que est justo enel centro del margen de medida (TC)
=cte disipacin
Para una NTC dada el objetivo es encontrar un valor de R que proporcione la
mxima linealidad en el margen de temperatura de inters. Un mtodo analtico
para determinar el valor de R consiste en forzar un punto de inflexin en la curva
vo(T) que est justo en el centro del margen de medida (Tc). En el punto de
inflexin la pendiente a la curva es mxima y por tanto tambin la sensibilidad.
Este mtodo es recomendable para alcances pequeos, donde podemos
considerar B constante.
Al circular corriente por la NTC el termistor sufre un autocalentamiento y
alcanza una temperatura por encima de la del ambiente. Esto obliga a limitar el
valor de la tensin (o de la corriente) de alimentacin. El peor caso es cuando
RT=R ya que es cuando se transfiere la mxima potencia a la NTC. El valormximo de la alimentacin se calcula para que no se supere un determinado Tadmisible.
Segn se muestra en la transparencia anterior, el error de linealidad con este
mtodo es menor en el centro del margen de medida, y aumenta hacia los
extremos.
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Linealizacin mediante R en paralelo
TP
T
RRR
R R=
+
RT
R
(1% pelcula metlica)
La linealizacin tambin se puede realizar conectando, en paralelo con la
NTC, una resistencia de valor adecuado. Un mtodo analtico para el clculo de
la resistencia paralelo consiste en forzar tres puntos de paso en la curva R-T.
Por ejemplo, que a tres temperaturas equidistantes, RP est sobre una recta.
Como se observa en la figura el error de linealidad es menor en las
proximidades de cada punto de ajuste.
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Clculo de R
( )=
+
2p T
2
T
dR dRR
dT dTR R
= -+
p
2
p T
dR / dT B 1
R T 1 R /R
+ -=
+ -
T2 T1 T3 T1 T3
T1 T3 T2
R (R R ) 2R RR
R R 2R
Forzar tres puntos de paso en la curva R-T
Rp1 - Rp2 = Rp2 - Rp3
T1 - T2 = T2 - T3
Ms linealidad
Menos sensibilidad
Aunque Rp sigue sin ser lineal, su variacin con la temperatura es menor que
antes, por serlo el factor que multiplica a dRT/dT. El coeficiente de temperatura o
sensibilidad es menor. Es decir ha perdido sensibilidad a costa de un incremento
en la linealidad.
El valor de R se puede obtener analticamente forzando tres puntos de paso en
la curva R-T resultante, de forma que a tres temperaturas equidistantes T1-
T2=T2-T3 los incrementos de resistencia sean iguales, es decir: Rp1-RP2=Rp2Rp3.
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Ejemplo
+
-
R1
RT
V1
+
-
R2
R3
R4
Vo
5V
OP07
OP07
2
3
6
7
4
+15V
-15V
2
3
67
4
+15V
-15 V
REF02
R
POT (Ganancia)
POT (Offset)
-
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Caractersticas I-t
RT
100
V
=
pc Constante de tiempo trmica: (ms)
En otras aplicaciones la caracterstica que interesa es la que describe la
evolucin de la corriente en el termistor a lo largo del tiempo despus de
aplicarla.
La velocidad a la cual la corriente cambia ser inicialmente lenta debido a la
alta resistencia del termistor y la resistencia de la fuente. Cuando el dispositivo
comienza a calentarse la resistencia disminuye rpidamente y la velocidad de
cambio de la corriente se incrementa. Finalmente, cuando el dispositivo se
acerca a la condicin de equilibrio la velocidad de cambio de la corriente
disminuye hasta que la corriente alcanza su valor final.
Se observa que el autocalentamiento est sometido a una constante de
tiempo que supone un retardo entre la tensin aplicada y el instante en que se
alcanza el valor de corriente estacionario. La constante de tiempo trmica del
termistor () se define como el cociente entre su capacidad calorfica cp y su
constante de disipacin trmica ().
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Carga
Calternativa
-t-t
-t -tRectificador
Circuitos de retardo
Supresin de transitorios
Aplicaciones
Las caractersticas I-t anteriores se aprovechan en los circuitos de retardos y
para la supresin de transistorios.
La figura muestra un circuito de proteccin contra sobrecorrientes de una
fuente de alimentacin. En el instante inicial los condensadores de filtro estn
descargados y aparecen como cortocircuitos, producindose una elevada
corriente de carga que puede llegar a fundir los fusibles de proteccin. Esta
elevada corriente puede evitarse situando un termistor en serie con el dispositivo
que se pretenda proteger. La resistencia inicial de la NTC limita la corriente de
carga y, conforme se va autocalentando, su resistencia va disminuyendo y la
corriente se va incrementando gradualmente en el circuito, protegiendo los
elementos del mismo.
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T T aP V I (T T )= =
VT
(V)
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,60,5
2
4
6
8
IT (A)
Caracterstica V-I
RT
R
V
0,7
10
Medida de caudal, nivel, conductividad calorfica (vara )
Control de nivel de tensin o de potencia (vara V)
Alarmas (vara Ta)
Para algunas aplicaciones interesa la relacin entre la tensin en bornes del
termistor y la corriente a su travs. Para corrientes bajas, la tensin en bornes
del termistor es prcticamente proporcional a la corriente porque el
autocalentamiento del termistor es muy pequeo. Cuando aumenta la corriente,
el termistor sufre un autocalentamiento apreciable y alcanza una temperatura por
encima de la del ambiente, reducindose su resistencia y, por lo tanto, la cada
de tensin a su travs.
En la zona de autocalentamiento el termistor es sensible a cualquier efecto que
altere el ritmo de disipacin de calor. Esto permite aplicarlo a las medidas de
caudal, nivel, conductividad calorfica. Si la velocidad de extraccin de calor es
fija, el termistor es sensible a la potencia elctrica de entrada, y entonces se
puede aplicar al control del nivel de tensin o de potencia.
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0 .0 01 0 .0 29 0 .0 57 0 .0 85 0 .1 1 0 .1 4 0 .1 7 0 .2 0 .2 2 0 .2 5 0 .2 80.01
2.51
5.01
7.51
10.01
12.51
15
17.5
20
22.5
Curva Corriente-Te ns in 1000ohm @25C
corriente [A]
tensin[V]
Ejemplo
(a)
(b)
VT = 15V -(RT+RPOT)IT
NTC
Potencimetrode control detemperaturaALARMA
AC
REL
En esta aplicacin el punto de trabajo del circuito se ve modificado por
cambios en la temperatura ambiente. En la figura (a) se muestra una NTC en
serie con la bobina de un rel. Cuando la temperatura ambiente supera un valor
preestablecido considerado como el punto de alarma de temperatura, la
resistencia de la NTC se reduce, aumentando la corriente lo suficiente como para
hacer actuar al rel. En la figura (b) se muestran grficamente los cambios en la
caracterstica V-I de termistor ante cambios en la temperatura ambiente. El punto
A es el punto de trabajo del circuito a 25C y la corriente es insuficiente para
activar el rel. A 42C, punto B, la corriente se incrementa lo suficiente como
para activar el rel.
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PTC
Rmx
Rmn
TsT
2Rmn Silistor
Las PTC tienen dos tipos de comportamiento segn la composicin y el
dopado. Las de tipo cermico presentan un cambio brusco de resistencia cuando
se alcanza la temperatura de Curie. Su coeficiente de temperatura es positivo
slo en un margen concreto de temperaturas; fuera de l es negativo o casi nulo.
La temperatura de conmutacin especificada, TS, corresponde a aquella a la que
la PTC tiene una resistencia doble del valor mnimo.
Las PTC basadas en silicio dopado presentan una variacin ms suave con la
temperatura. A veces se comercializan ya linealizadas, con denominaciones
tales como silistores.
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Aplicaciones
(a) (b)
+t
PTC
CARGA INDUCTIVA
RED
+tPTC
EQUIPO A PROTEGER
El incremento tan brusco de la resistencia en la PTC de tipo cermico por
encima de la temperatura de conmutacin las hace ideales en dos tipos de
aplicaciones:
Proteccin de circuitos frente a sobrecorrientes o sobretensiones.
Generacin de retardos
En la figura (a) si la corriente supera un lmite debido a un fallo, por la PTC
circular ms corriente y el efecto de autocalentamiento har que se alcance Ts y
aumente bruscamente la resistencia, limitando la corriente en el circuito. Tan
pronto como se restablezcan las condiciones normales en el circuito, el sistema
volver a su estado normal.
El circuito de la figura (b) permite eliminar la generacin de sobretensiones
que se producen en los interruptores que conmutan cargas fuertemente
inductivas. Situando una PTC en paralelo con el interruptor se evita la
sobretensin ya que la PTC permite la recirculacin de la corriente hasta que
conmuta a su zona de alta resistencia.
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+t
PTCV
Carga
220V
PTC
+t
Aplicaciones
(c)
(d)
En el momento de la conexin de la alimentacin (figura c) toda la corriente
circula por la PTC debido a su bajo valor resistivo inicial, permaneciendo abierto
el interruptor del rel. Conforme se calienta, llega un momento en que se alcanza
TS; en ese instante toda la corriente pasa a circular por la bobina del rel
cerrndose su contacto.
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Sensores de temperatura resistivos.
La resistencia en los metales aumenta con la temperatura
8.4 RTD
Las RTD son sensores de temperatura basados en la variacin de la
resistencia de un conductor con la temperatura. Tpicamente estn constituidos
por un hilo de platino arrollado sobre un soporte aislante de tipo cermico. La
variacin de resistencia se debe tanto al cambio de resistividad como al cambio
de dimensiones asociado con el cambio de temperatura.
En los metales, las fuerzas de atraccin de los electrones al ncleo son muy
dbiles. A una temperatura ligeramente elevada los electrones de valencia se
desligan fcilmente de sus ncleos, pasando a ser electrones libres, capaces de
moverse libremente a travs de su red cristalina, en presencia de un campo
elctrico. Se producen colisiones entre los electrones y los iones de la red
cristalina, los cuales estn vibrando alrededor de su posicin de equilibrio,
dando lugar a que la velocidad de desplazamiento, de los electrones y por su
conductividad sea menor.
Las RTD se utilizan en mltiples aplicaciones: en el sector del automvil
(medida de los gases de escape, temperatura del aire de entrada al motor,
temperatura interior y exterior), electrodomsticos, edificacin (temperatura de
los gases de la chimenea, combustin de la caldera).
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Hilo bobinado (wire-wound) Pelcula fina (thin film)
Sello de
cemento
cermico
Alambre
de PtAislante
cermico
Aislamiento
de mica
Tubo de acero
inoxidable
Vidrio (soporte
de terminales)
Capa protectora
de vidrio
Pelcula de Pt
depositada
Sustrato
cermico
Tipos de RTDs
Atendiendo a su forma constructiva las RTDs pueden ser:
Hilo bobinado: el hilo conductor se bobina sobre un elemento aislante
elctrico y muy buen conductor del calor (cermica). Este bobinado permite
dilataciones del hilo al cambiar la temperatura. La bobina es empaquetada con
mica y colocada dentro de un tubo que le sirve de proteccin.
Pelcula fina: se deposita una fina capa de platino sobre un sustrato cermico,
cubierta con una pelcula de vidrio fundido que sirve de proteccin. Son de
prestaciones similares a las bobinadas y de bajo coste.
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Caracterstica R-T
300
Temperatura (C)
Resistencia()
-200 -100 0 100 200 300 400 500 600
350
250
200
150
100
50
0
Pt
Ni
Cu
(Pt100)
Diversos metales pueden utilizarse en la construccin de las RTD como el
platino, el nquel o el cobre. El platino es el metal ms utilizado pues aunque el
nquel presenta mayor sensibilidad el platino es ms lineal y sobre todo tiene una
resistividad mayor. Esto ltimo permite tener una sonda con un valor hmico
suficientemente alto para permitir el empleo de hilos de conexin largos y, a la
vez, con poca masa, para tener una respuesta trmica rpida.
Los fabricantes ofrecen para cada RTD su curva de calibracin como la que
se muestra en la figura. Un valor tpico es el que presentan a 0C, que para el
platino es de 100 , lo que da origen al nombre de Pt100.
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RT R0 (1 + T)
R0 = resistencia a T0
= coeficiente de temperatura ( Pt = 3,9x10-3/K)
T = incremento de temperatura respecto a T0
Modelo matemtico
Autocalentamiento:
( )2
mx
D(max) max
V / 2P T V 2 TR
R=
PD = I
2
xR=
T
Para utilizar una RTD en un sistema de medida de temperatura, generalmente
hay que hacerle pasar una corriente elctrica. Esta corriente produce una
disipacin de energa en la misma que puede hacer que su temperatura T sea
ms alta que la del medio Ta en que se encuentra. Al igual que hemos visto con
los termistores el incremento de temperatura T que sufre la RTD debido al
autocalentamiento puede evaluarse por la expresin: P=I2xRT=T
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Circuitos de medida
+-
R0 R0
R0 R0(1+T)
Fuente de tensin:
Fuente de corriente:
o
TV V 4
o 0
TV IR
4
+ V
Vo
-
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Vo es directamente proporcional a RT
La longitud de los cables no introducen error.
Medida a cuatro hilos
VoI
i=0
i=0
+
-( 1mA)
RTD
Para reducir el error producido por las resistencias de los hilos en medidas de
buena precisin se suele utilizar la conexin a 4 hilos de la figura. La corriente
por los cables de medida ser despreciable debido a la alta impedancia de
entrada del circuito de medida. La cada de tensin en los cables de conexin de
la fuente de corriente no afecta a la medida ya que la fuente de corriente asegura
que la corriente por RT es constante y de valor I.
Este tipo de medida a 4 hilos se encuentra disponible en multmetros de gama
media para la medida precisa de resistencias en general. Incluso algunos
incorporan en su software rutinas de conversin a temperatura para los sensores
resistivos ms comunes, como las RTD.
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( )0o1
VRv 1 T
R= +
+
-VR1
RT
vo
+
-
RTvoAI
I
To GIRv =
Requieren fuentes de excitacin estables
Otros circuitos de acondicionamiento
-
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= coeficiente deSeebeck (V/C)
T1
T2
T2
V = (T1- T2)
+
-
Metal 1
Metal 2
8.5 Termopares
T1
Metal 1
Metal 2
Metal 1
T2Efecto Seebeck
(1882)
El principio de funcionamiento del termopar est basado en el efecto Seebeck
segn el cual si se tienen dos conductores distintos homogneos formando un
circuito cerrado y una de las uniones est a una temperatura T1 y la otra a una
temperatura diferente T2, aparece una fuerza electromotriz que da lugar a la
circulacin de una corriente que se mantiene mientras las temperaturas sigan
siendo diferentes. Si se abre el circuito, lo que se observa es la aparicin de una
tensin entre los terminales.
Realmente en este efecto no se requiere que los dos metales sean iguales, lo
que ocurre es que si los dos metales son iguales la tensin que mediramos
sera nula ya que las fuerzas termoelectromotrices (f.t.e.m.) generadas seran
iguales y la tensin en los extremos nula.
Los termopares son los sensores ms utilizados a nivel industrial para la
medida de temperatura. Tienen margen de medida grande, velocidad de
respuesta rpida (ms), son estables, robustos y muy fiables. Para temperaturas
bajas tienen mayor exactitud que las RTD. Dado que no requieren excitacin no
tienen problemas de autocalentamiento. Adems permiten el uso de hilos de
conexin largos.
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30/43
30
30
9
6
6
41
26
40
51
Coef. SeebeckV/C @25C
Oxidante, inerteAltas temp.
800 180030%Pt 70%Rh 6%Pt 94%RhB
Oxidante, inerte
Altas temp.
0 145010%Pt 90%Rh -
PtS
Oxidante, inerte
Altas temp.
0 145013%Pt 87%Rh -
PtR
Oxidante, inerte
reductora, subcero
-200 350Cu - ConstantnT
Oxidante0 1260Nicrosil - NisilN
Inerte, subcero-200 1250Chromel - AlumelK
Reductora, inerte0 760Fe - ConstantnJ
Atmsferasde aplicacinCampo de medidarecomendado (C)Composicin(+) (-)Tipo
Constantn: Cu-Ni; Chromel: Ni-Cr; Alumel: Ni-Al; Nicrosil:Ni-Cr-Si; Nisil: Ni-Si-Mg
Termopares comunes
Aunque el termopar puede construirse con dos metales diferentes
cualesquiera, la necesidad de una elevada sensibilidad (coeficiente de Seebeck
alto), estabilidad a lo largo del tiempo, linealidad, etc. ha llevado a que tan slose utilicen determinados materiales dando lugar a diferentes tipos.
Los termopares J, K, N y T se denominan termopares de metales baseporque estn hechos de metales comunes. El termopar tipo J es apropiado paraatmsferas inertes o reductoras. Las atmsferas oxidantes disminuyen la vida til
debido a la presencia de hierro en el termopar que, adems, se oxida muy
rpidamente por encima de 538C. No es adecuado para bajas temperaturas
(por debajo de 0C). El tipo K es muy utilizado por encima de 538C debido a laslimitaciones del termopar de tipo J. El cromo tiende a oxidarse ante la presencia
de oxgeno lo que puede llevar a importantes derivas en el margen de 816 a1038C. El tipo N se utiliza en aplicaciones donde el termopar de tipo K tieneproblemas de oxidacin. El tipo T es adecuado para atmsferas oxidantes,inertes y reductoras.
Los termopares R, S y B se conocen como termopares de metales noblesporque estn hechos de platino y rodio. Se utilizan cuando las temperaturas a
medir son muy elevadas y exceden los mrgenes que se pueden alcanzar con
los metales base o cuando hay problemas de oxidacin o de corrosin.
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Labfacility
Termopar con lmina adhesiva
Termopar industrial
Termopar de abrazadera
Forma tpicas
Aislamiento mineral
Hay una amplia gama de tipos de termopar, terminaciones y acabados. En el
nivel ms bsico, existen termopares fabricados a partir de dos conductores
desnudos con su unin de medida soldada. El cable puede estar aislado segn
las necesidades y caractersticas de la aplicacin.
El tipo de termopar ms utilizado actualmente, tanto por sus prestaciones
como por su fiabilidad, es el llamado termopar de aislamiento mineral. Se
caracteriza porque los conductores se encuentran insertados en una vaina
metlica cerrada y sellada hermticamente. Los conductores se encuentran
aislados entre si y con respecto a la vaina (si la unin de medida est aislada),
mediante oxido de magnesio compacto. Este tipo de fabricacin permite
conseguir dimetros desde 0,25mm a 10,8 mm. Las longitudes de la vaina
pueden variar desde unos pocos mm hasta varios metros.
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Unin a masa
Unin aislada
Unin expuesta
Tipo de aislamiento
Termopares con unin expuesta: recomendados slo para realizar medidas
de temperatura en gases estticos o de flujos si no son corrosivos, donde es
necesario obtener una rpida respuesta (0,1s).
En la mayora de los casos se recomienda la utilizacin de termopares con la
unin de medida aislada y protegida mediante vainas para aplicaciones con
lquidos y gases corrosivos, en perjuicio del tiempo de respuesta.
Termopares con unin a masa: el termopar est soldado al extremos de la
vaina, es idnea para su aplicacin con gases y lquidos corrosivos, as como
para aplicaciones de alta presin donde se requiera una respuesta trmica
rpida (unos 2s).
Termopares de unin aislada: la unin est separada de la cpsula mediante
aislante elctrico de elevada conductividad trmica (normalmente xido de
magnesio). Resulta adecuado, por ejemplo, para medir temperaturas de lquidos
conductores. El tiempo de respuesta suele rondar los 5s.
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Curvas caractersticas
La unin de referencia a 0C
La tensin entre los terminales del termopar depende de los metales y de la
diferencia de temperatura entre las dos uniones. La figura de la izquierda
muestra las curvas de calibracin de varios termopares suponiendo que la
temperatura de una de las uniones est a 0 C. Esta tensin es repetible pero no
es lineal. Para mostrar con ms claridad esta no linealidad en la figura de la
derecha se ha representado la variacin del coeficiente de Seebeck con la
temperatura.
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Ley de los circuitoshomogneos
Ley de los metales
intermedios
T2
T2
T3
T1+
-V = (T1- T2)
M 2
M 3
T2
T2
T3
T1
T3+
-
M 1 M 1
V = (T1- T2)
Leyes termomtricas
T1
T2
T2
VT1,T2
+
-T2
T3
T3
VT2,T3
+
-T1
T3
T3
VT1,T2+VT2,T3
+
-
Ley de las temperaturas intermedias
Del estudio experimental de los termopares se dedujeron tres leyes,
denominadas leyes termoelctricas, que resumen su comportamiento:
Ley de los circuitos homogneos: La tensin generada por un termopar
cuyas uniones se encuentran a las temperaturas T1 y T2 no depende de la
temperatura a la que se encuentren los puntos intermedios.
Ley de los metales intermedios: Si se introduce un tercer metal en serie con
uno de los que constituyen el termopar, la tensin generada por el termopar no
vara siempre que los extremos del metal insertado se encuentren a la misma
temperatura.
Ley de las temperaturas intermedias: Si VT1,T2 es la tensin generada por untermopar cuyas uniones estn a las temperaturas T1 y T2, y VT2,T3 es la tensin
cuando estn a T2 y T3. La tensin VT1,T3, cuando las uniones estn a las
temperaturas T1 y T3 es igual a VT1,T2 + VT2,T3.
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2008.5398.4998.4588.4188.3788.3388.2988.2588.2188.1788.138200
1908.1388.0998.0598.0197.9797.9397.8997.8597.8197.7797.739190
1807.7397.6997.6597.6197.5797.5407.5007.4607.4207.3807.340180
1707.3407.3007.2607.2207.1807.1407.1007.0607.0216.9816.941170
1606.9416.9016.8616.8216.7816.7416.7016.6606.6206.5806.540160
1506.5406.5006.4606.4206.3806.3396.2996.2596.2196.1796.138150
1406.1386.0986.0586.0175.9775.9375.8965.8565.8155.7755.735140
1305.7355.6945.6535.6135.5725.5325.4915.4505.4105.3695.328130
1205.3285.2885.2475.2065.1655.1245.0845.0435.0024.9614.920120
1104.9204.8794.8384.7974.7564.7154.6744.6334.5914.5504.509110
1004.5094.4684.4274.3854.3444.3034.2624.2204.1794.1384.096100
904.0964.0554.0133.9723.9313.8893.8483.8063.7653.7233.68290
803.6823.6403.5993.5573.5163.4743.4333.3913.3503.3083.26780
703.2673.2253.1843.1423.1003.0593.0172.9762.9342.8932.85170
602.8512.8102.7682.7272.6852.6442.6022.5612.5192.4782.43660
502.4362.3952.3542.3122.2712.2302.1882.1472.1062.0642.02350
402.0231.9821.9411.8991.8581.8171.7761.7351.6941.6531.61240
301.6121.5711.5301.4891.4481.4071.3661.3261.2851.2441.20330
201.2031.1631.1221.0811.0411.0000.9600.9190.8790.8380.79820
100.7980.7580.7180.6770.6370.5970.5570.5170.4770.4370.39710
00.3970.3570.3170.2770.2380.1980.1580.1190.0790.0390.0000
Tensin termoelctrica (mV)
C109876543210C
Curvas de calibracin
Una de las uniones a 0C
Las curvas de calibracin de los termopares se encuentran recogidas en una
serie de tablas como la de la figura en las que muestran la tensin del termopar
suponiendo que una de las uniones est a 0 C.
Aplicando la ley de las temperaturas intermedias podemos conocer la curva de
calibracin del termopar para cualquier temperatura.
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36 NIST
T = a0 + a1V + a2V2 + + anVn
Polinomios de aproximacin
Para aplicaciones de alta precisin las tablas anteriores pueden no ser
adecuadas . En estos casos se recurre a funciones polinmicas para generar la
temperatura del termopar. La figura muestra los coeficientes de la funcin
polinmica: T = a0 + a1V + a2V2 + + anV
n
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Voltmetro
Metal 1
Metal 2
Cu
Cu
Conector
isotrmico
Las uniones parsitas no
influyen si estn a la misma
temperatura.
T1 T2
Efectos de las unidades parsitas
Para medir la tensin en un termopar se necesita unir los terminales del
mismo con el equipo de medida. Estas uniones dan lugar a dos nuevos
termopares. Se puede demostrar a partir de la ley de los metales intermedios
que si las nuevas uniones estn a la misma temperatura, la tensin medida en
estas condiciones corresponde a la que presenta el termopar original.
La tensin termoelctrica entre cada una de las nuevas uniones y el equipo es
idntica por lo que se cancelan en la medida. Por el mismo motivo, las
soldaduras internas del voltmetro no influyen si se encuentran a la misma
temperatura.
Para garantizar que las uniones con el equipo se encuentren a la misma
temperatura se suelen utilizar unos conectores especiales isotrmicos que
garantizan una distribucin uniforme de la temperatura de forma que sta sea
idntica en las dos uniones.
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1) Conocer la temperatura de la unin de referencia
2) Amplificar la tensin del termopar
V = (T1T2)
Metal 1
Metal 2
Cu
Cu
T2T1
+
-
Acondicionamiento de seal
Como se ha visto el termopar proporciona una tensin de pequeo valor
proporcional a la diferencia de temperaturas entre dos uniones. Por ello el
acondicionamiento de seal consistir por un lado en realizar una amplificacin
de la tensin del termopar y por otro en conocer la temperatura de la unin de
referencia con objeto de compensar su efecto.
Si el margen de variacin de la temperatura ambiente es menor que la
resolucin deseada, puede dejarse la unin de referencia al aire.
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Metal 1
Metal 2
Cu
CuT1 A
Hielo
fundente
V = AT1
T2 = 0C
Calibraciones en laboratorios
Error: 0,001C
Compensacin mediante t de referencia constante
Una solucin consiste en introducir una unin en un bao de hielo fundente.
Bien construido, el error puede ser de unos 0,001C. Se trata de un mtodo de
referencia pero es difcil de llevar a cabo por lo que se suele utilizar nicamente
en laboratorios para realizar calibraciones.
Se puede mantener tambin la unin de referencia a una temperatura
constante a basa de emplear una clula Peltier o un horno termostato.
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40
Cu
Cu
T2
Sensor
temperatura
SumadorT1
Acondicionador
+
-
1 2 1 2T ,T T ,0 0,TV V V= +
1 1 2 2T ,0 T ,T T ,0V V V= +
1 2T ,TV
1T ,0V
2T ,0V
Compensacin analgica
La compensacin analgica consiste en sumar a la tensin que proporciona el
termopar VT1,T2 la tensin VT2,0 que correspondera al mismo termopar en el que
las temperaturas de la uniones fueran T2 y 0C.
Para obtener VT2,0 es necesario medir la temperatura de la zona de referencia
con otro sensor y realizar un circuito de acondicionamiento que proporcione
dicha tensin. A partir de la tensin resultante, la temperatura de la zona de
medida se obtiene directamente de las tablas.
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Radiacintrmica,
8.6 Pirmetros de radiacin
i
F TP QP VS
Conversintrmica
Conversintrmica-elctrica
Conversinelctrica
Cualquier cuerpo a una temperatura superior a 0 K emite radiacin
electromagntica debido a la vibracin que experimentan las partculas, tomos
y molculas del cuerpo. Esta radiacin se denomina radiacin trmica. Los
sensores piroelctricos son detectores de radiacin trmica en el IR.
Estos sensores estn formados, como se muestra en la figura, por un
pequeo condensador, constituido por una pastilla muy fina de material cermico
ferroelctrico con dos electrodos en su superficie sobre los cuales se induce una
carga elctrica por efecto piroelctrico. Entre los materiales que ms se utilizan
como dielctrico estn el sulfato de triglicina (TGS) y el tantalato de litio.
El flujo de radiacin emitido por la fuente atraviesa un filtro optico de
coeficiente de transmisin F que deja pasar solo la radiacin IR. Esta energa
llega al detector que absorbe esta energa y provoca un cambio de temperatura
T. Por efecto piroelctrico, se produce la conversin trmica-elctrica
generndose una carga en los electrodos del sensor que posteriormente se
transforma en una seal de tensin.
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42
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RGvo
Rf
vo
Cfb
Modo tensin
Alta relacin S/N
Baja sensibilidad a la temperatura
Se suele apantallar
Modo corriente
Ms complejo
Mayor ruido
+ +
1/jCP1/jCP
Acondicionamiento
InfraTec
El circuito equivalente del sensor se caracteriza por una alta impedancia de
salida y una corriente extremadamente baja por lo cual debe utilizarse un
amplificador con una alta impedancia de entrada. Para realizar el
acondicionamiento puede emplearse un seguidor de tensin o un amplificador de
carga.
Los sensores piroelctricos en modo tensin proporcionan una alta relacin
S/N y presenta baja sensibilidad a la temperatura. Muestran una gran
sensibilidad a interferencias acsticas, trmicas y electromagnticas por lo que
suelen apantallarse o encapsularse hermticamente (sensor y amplificador) para
reducir los efectos de los movimientos de aire.
Los sensores piroelctricos en modo corriente son menos utilizados que en
modo tensin, ms que nada porque su circuito es ms complejo y la mayora de
las aplicaciones de los sensores piroelctricos son para la deteccin de luz o la
deteccin de movimiento.
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Objeto
P
Display
vir
Sensor
piroelctrico
Diodo fotodiodo
Sensor de t
del obturador
Sistema
ptico
A
MPX
Termmetro IR
Como hemos visto un sensor piroelctrico responde slo a los cambios en la
temperatura del material y no al valor esttico de la temperatura. No obstante la
medida esttica de temperatura, puede realizarse pulsando el flujo de radiacin.
La figura muestra el esquema de un termmetro de IR en que el flujo de
radiacin se vara mediante un disco ranurado. La rotacin del disco se
sincroniza con un microcontrolador por medio de un optoacoplador. La salida del
amplificador es una seal alterna cuya magnitud depende de la radiacin IR
incidente y de la velocidad de giro del elemento obstructivo.
En los termmetros IR hay dos parmetros crticos que deben comprenderse
para asegurar que las medidas de temperatura obtenidas sean del todo
correctas:
Resolucin ptica: relacin entre la distancia al objeto y el rea de medida.
Emisividad (): relacin entre la energa que emite un cuerpo por unidad desuperficie y por unidad de tiempo y la que emitira un cuerpo negro (=1, absorve
toda la energa incidente) en las mismas condiciones. En los termmetros IR de
bajo coste la emisividad suele ser fija (0,95), por lo que slo sern utilizados para
la medida de temperatura de objetos cuya superficie no sea altamente reflectiva.