Sensores Resistivos

7/21/2019 Sensores Resistivos

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SENSORES

RESISTIVOS

Ing. José MendozaRodríguez

UNIVERSIDAD NACIONALDEL CENTRO DEL PERU

METROLOGIA EINSTRUMENTACI

ON II



Ing. José Mendoza Rodríguez

METROLOGIA E INSTRUMENTACIONII

Sensores

Son elementos que permiten obtener las variaciones deuna señal física y traducirla a una magnitud concaracterísticas especícas, que le permitan a unoperador interpretar los cambios y manipularlos. Lossensores convierten una variable física en otra.

Los sistemas de mediciones componen el elementofundamental de los sistemas de control.





Termopares Los termopares son unos de los sensores más sencillos yde los más utilizados en las industrias para determinarla temperatura de un proceso. Este sensor estaconstituido por la unión de dos etales, la cual essoetida a la teperatura a ser edida.

S A y S

BPotencia termoeléctrica absoluta de A y de B.

dE AB

Diferencial de fuerza termo electromotriz.

dT Diferencial de temperatura de las uniones.

La diferencia de temperatura para la unin de dosmetales, se conoce con el efecto Seebec! y esta dadopor la siguiente ecuacin"

dT

dE S S S

AB

B A AB =−=





Le!es teroelectricas"

Ley de circuito homogéneo[1]" En un conductormetálico #omog$neo no puede sostenerse lacirculación de una corriente el$ctrica por laaplicación e%clusiva de calor.

Ley de los metales intermedios[1]: Si en un circuito

de varios conductores #omog$neos, la teperatura es uni#ore desde un punto de soldadura A a unpunto $ &donde ' es la unin de uno de losconductores con uno de los cables del termopar y (es el punto de unin con el otro cable del termopar),la sua al%e&raica de todas las #uer'aselectrootrices es totalmente independiente delos conductores et(licos interedio y es laisa )ue si se pusieran en contacto directo A! $"

Ley de las temperaturas sucesivas[1]:

La femgenerada por un termopar con sus uniones a las

Termopares





no de los #actores iportantes para los termopares escontar con una resistencia alta, lo cual se traduce enuna alta capacidad calor*+ca y una respuesta lenta,aumentado el rendimiento de la medida, al tener unabuena estabilidad ante pequeños cambios perturbadores.

Tipo de teropares

El comportamiento de los termopares, matemáticamentese describe por la siguiente ecuacin"

C1 y C

2 Coeficiente de !olta"e# respecto e la temperatura

T1 y T

2 Températures de las uniones

E $em %enerada por el termopar

Termopares

( ) ( )2

2

2

12211 T T C T T C E ++−=





En la siguiente ta&la, de acuerdo a las noras ANSI,se recogen las caracter*sticas más rele,antes de lostermopares mas comunes.

Desi%naci&n A'S(

Composici&n )an%o *C Color del Aislante+Cable,

m-*C+C1,

E Cromel / Constantan 0 a 2 3orado / )o"o 45

6 7iero / Constantan 0 a 480 Blanco / )o"o 92.

: Cromel / Alumel /19 a 1280 Amarillo / )o"o 58

) Platino ; 1<=)odioPlatino

0 a 15< 'e%ro / )o"o 1.4

S Platino ; 10=)odioPlatino

0 a 15< 'e%ro / )o"o 18

T Cobre / Constantan /19 a 900 Azul / )o"o 28

Termopares





Para el calculo de teperatura con termopares, es necesario mantener la teperatura constante enuno de los lados y durante el trayecto, en caso de e%istirvarias uniones. Se recomienda que las uniones se #agancon cables #omog$neos del mismo material.

Compensación

de Termopares





Los termopares son elementos delicados, los que nopueden ser sometidos directamente al medio al cual sedesea medir la temperatura, por lo cual se necesita deun eleento aislante. ' este elemento aislante se lellama teropo'o, el cual ,a en contacto directo conel proceso. La temperatura en el termopar es captada

por un intercambio de calor entre el proceso y eltermopozo.

Termopozos





Su principio de funcionamiento se basa en el -u.o deelectrones a tra,/s de la resistencia. 'l variar latemperatura en el material resistivo, el /u0o deelectrones varía. Es decir la resistencia presenta unavariacin con la temperatura. 1atemáticamente lae%presin que describe una 2*3 es"

3onde 2o es la resistencia a la temperatura dereferencia y * es el incremento de la temperatura conrespecto a la temperatura de referencia.

Detector de TeperaturaResisti,o 0RTD1RTD

( )nnT T T R R α α α ++++= ...1 2

210





sualmente para los cálculos matemáticos y para

traba0ar en una regin lineal, se utiliza la siguienteecuacin"

242o&+56*)

En la siguiente tabla se muestran características

resaltantes de los 2*3 mas comerciales.)esisti!idad a20*C# >?cm

@ #??: )0#? a 0*C )an%o *C

Platino 10.8 0.00<5 25#50#100#200#500

/200 a 280

Cobre 1.84< 0.009< 10 +20*C, /200 a 280

'iuel 8.99 0.0081 50#100#120 /0 a <20

3olibdeno 5.4 0.00<48 100#200#500#1000#2000

/200 a 200

RTD





Los termistores son elementos en los cuales se ide

las ,ariaciones de la teperatura 021 en #uncióndel ca&io de resistencia que e%perimentan, pero adiferencia de los 2*3, los termistores se &asan enseiconductores y no en conductores.

La relacin entre la temperatura y la resistencia en eltermistor se e%presa en la siguiente ecuacin"

)t

)esistencia en om a la temperatura absoluta de Tt

)0

)esistencia en om a la temperatura absoluta de referencia T0

Constante dentro de un inter!alo moderado de temperatura

Termistores

)11

(

00T T

t

t e R R

−

=β





Las medidas con galgas e%tensometricas, se basan enla ,ariación de resistencias que estas e%perimentanal ser soetidas a una de#oración por es#uer'oec(nico. Estas pueden ser fabricadas con materialesconductores o semiconductores. La resistencia

el$ctrica de un conductor #omog$neo depende de sudiensión #*sica y su resistividad, si la resistividad seasume constante, la ecuacin siguiente describe larelacin entre la deformacin y la resistencia el$ctricade la galga e%tensom$trica.

Gal%as E3tensoetricas

Galgas

l

dl

k R

dR

=

é d d í





4undaento de las %al%as e3tenso5tricas"

El efecto de la variacin de la resistencia mecánica conla deformacin fue descubierta por Lord 7elvin en +89:.;onsiderando un #ilo metálico de longitud l, seccin ' yresistividad <, la resistividad el$ctrica del #ilo será"

'l someter a un esfuerzo mecánico en direccinlongitudinal, varían cada una de las tres magnitudesque intervienen en el valor 2. cambiando de la siguienteforma"

Galgas

A

l R ρ =

A

dA

l

dl d

R

dR−+=

ρ

ρ

I J é M d R d í





Si bien consideramos que la pieza, además de longitud

l, tambi$n tiene una dimensin transversal t, al sersoetida la pie'a a una #uer'a lon%itudinal, ,ar*antanto l coo t. La relacin entre ambos cambios, vienedada por la le! de Poisson"

3onde, = es el ;oeficiente de >oisson y su valoresta entre ? y ?.9. >ara fundiciones maleableses ?.+@, para el acero es de ?.?, pataaluminio y cobre es de ?.. >or otra parte, de

la ecuacin, podemos notar que para volumenconstante, = debe ser ?.9.

El ca&io de lon%itud resultante de aplicar una#uer'a 4, se da por la le! de 6oo7e

E Constante del material o modulo de oun%

F Tensi&n mecGnica

H Deformaci&n unitaria

Galgas

l dl

t dt

= µ

l

dl E E

A

F === ε σ

I J é M d R d í





Si para un #ilo conductor se supone una seccin

cilíndrica de diámetro 3 y si el material es istropo y nose rebasa su límite de elasticidad, tenemos"

>or lo tanto, para variaciones pequeñas de la resistencia

del #ilo metálico, nos queda")

0 )esistencia en reposo

I JH

En la ta&la se describen las caracter*sticas másresaltantes para los dos tipos de %al%as

e3tenso/tricas.Características/Galgas Normal Conductora Semiconductora

Factor de galga : 2 J 50 asta 200

Linealidad 0.1= asta 10000 >H 1= asta 1000 >H

Ruptura Entre 20000 >H y 25000 >H 5000 >H

Resistencia Nominal 120?#<50?# 800?# 1000? +K1=, 120?

Galgas

l

dl k

R

dR=

)1(0 x R R +=

I J é M d R d í





na galga en barra alineada en la direccin de la fuerzaaplicada"

Monta.e de Gal%as E3tensoetricas"

;uando la galga, queinicialmente esta enequilibrio con r 4 2, cambiasu valor a r 4 25d2 setiene"

Sustituyendo d2A2

4 !B

Galgas

dR R

dR RV V

+

+=

21

22

V V =

( ) R

dR

R

dR

V V V V

+

−=−=

22120

ε+

ε−=

k2

k

2

VV0

I J é M d R d í





3e esta manera se logra compensar la temperatura quepueda in/uenciar sobre la medida.

Dos %al%as alineadas perpendicularenteentre si"Galgas

−+

+−=−=

ε σ

ε σ

k

k V V V V

)1(2

)1(

2120

Ing José Mendoza Rodríguez





Esta conguracin de 0uego de galgas se #ace paracompensar por temperatura el circuito y aumentar lasensibilidad del mismo.

Cuatro %al%as orientadas dos en el sentido de la#uer'a ! dos en sentido de PoissonGalgas

−+

+−=−=

ε σ

ε σ

k

k V V V V

)1(2

)1(120

Ing José Mendoza Rodríguez





>ara copensar por teperatura, además deauentar la sensi&ilidad ! lineali'ar, la forma mascomCn de colocacin de las %al%as es en un cantilevero una en cada cara a deformar de manera que ale%pandirse una se contrae la otra.

Gal%as so&re unCantil5,erGalgas

2

*0

ε k V V =

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