Termopar Sensor
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Víctor Acevedo Saavedra
UNIVERSIDAD PERUANA DE LAS AMERICAS
PROGRAMACION DE MICROCONTROLADORES
ING. VICTOR ACEVEDO SAAVEDRA Reg. CIP 105402
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA DE COMPUTACION Y SISTEMAS
CURSO
Víctor Acevedo Saavedra
UNIVERSIDAD PERUANA DE LAS AMERICAS
SENSORES Y TRANSDUCTORES
ING. VICTOR ACEVEDO SAAVEDRA Reg. CIP 105402
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA DE COMPUTACION Y SISTEMAS
Termistores NTC´s
• NTC: Negative Temperature Coefficient – La resistencia disminuye con la temperatura
• Basadas en semiconductores – Óxidos de Cobre, Níquel, Manganso, etc.
• También se conocen como termistores
• Símbolo
Víctor Acevedo Saavedra
• R0: Resistencia a T0 (normalmente 25ºC)
• B: Temperatura característica (en K)
• T: Temperatura en cuestión
• T y T0 en K
0
1 1
0
T T B
T e R R
Termistores NTC´s
Víctor Acevedo Saavedra
• R0:
-60/50ºC 50/150ºC
150/300ºC
Margen de medida R0
100/1K (25ºC) 2K/75K (25ºC)
100K/500K (25ºC)
• B: entre 1500 y 7000 grados K
• Sensibilidad :
• Margen de medida desde -60ºC hasta 300ºC – A temperaturas inferiores R es muy elevada
– A temperaturas superiores la sensibilidad es muy baja
2
1
T
B
dT
dR
R T
T
- = × = a -3/-5 %ºC-1 (25ºC)
-6,4/-11,3 %ºC-1 (-60ºC)
-2,1/-3,7 %ºC-1 (100ºC)
Termistores NTC´s
Víctor Acevedo Saavedra
• La temperatura se modifica por autocalentamiento
U I R T P R T T a a × × + = × + = θ θ
Por lo tanto
– T: Temperatura de la NTC (en K)
– Ta: Temperatura del entorno (en K)
– R : Resistencia térmica (ºC/W)
– P: Potencia que disipa
– I: Corriente
– U: Tensión
I
U
0
1 1
0
T I U R T B
a e R R
Termistores NTC´s
Víctor Acevedo Saavedra
Termistores NTC´s
• Corrientes pequeñas: (aplicación: medida de temperatura)
• Corriente medias:
(aplicación: medida caudal)
• Corrientes grandes:
0
1 1
0
T T B
a e R R
0
0
T
B
e R R
I
U
0
1 1
0
T I U R T B
a e R R
Resistencia negativa
0
1 1
0
T T B
a e R R
Pmax
Víctor Acevedo Saavedra
Termistores NTC´s
Víctor Acevedo Saavedra
T
s R R
R U U
1
1
T
Us ¡¡Zona lineal!!
• Circuito de medida típico
-tº
U
Us R1
RT
Termistores NTC´s
Víctor Acevedo Saavedra
Linealización en torno al punto central de medida
T
Us
TC TH TL Rango de medida
• Obtención de R1 – Se linealiza alrededor del punto de
inflexión de la curva en S
• Obtención de U (alimentación) • U alta: autocalentamiento
• U baja: baja sensibilidad
– Error autocalentamiento T
C T C
C R T B T B
R × + -
= 2 2
1 0 2
2
= dT
U d s
θ
1 2 R
T R U max
D × =
( ) potencia P P R T : θ × = D
( ) T max max
R R cuando P R
U P =
× =
1 1
2
4
Termistores NTC´s
Víctor Acevedo Saavedra
T
Us
TC
Linealización en torno al punto central de medida
TH TL
Rango de medida
• Sensibilidad:
– Para T=TC:
2 2
1
1 ) ( T
B
R R
R R U
dT
dU T S
T
T S
1
4 2
2
C
C T
B
B
U T S
– Recta de calibración
T T S T U T U C C S S
– Error máximo. Suma de:
– Error de autocalentamiento
– Error en los extremos de medida (error de linealidad)
Zonas de máximo error de linealidad
Recta de calibración
Termistores NTC´s
Víctor Acevedo Saavedra
Linealización en torno al punto central de medida
• Otra recta de calibración
– Menor error en los extremos
– Mayor error en el centro T
Us(TC)
TC TH TL
Recta de calibración
Us(TL)
• Otra forma de determinar R1
– Menor error en los extremos
– Mayor error en el centro
1
0
R
R s
T F U
T f s
U
R
R
U
R R
R U U
T T
s
1 1 1
1
1
s
T F
T (ºC)
Termistores NTC´s
Víctor Acevedo Saavedra
Supresión del offset
• Mediante un restador
• Mediante medida en puente
-tº U
R1
RT
R3
R2
A
Amplificador diferencial
-tº
U
Us R1
RT
Restador
Termistores NTC´s
Víctor Acevedo Saavedra
Termistores NTC´s
Linealización mediante paralelizado
RT
R1 T 1
T 1 P
R R
R R R
1
T 2
P
P
R
R 1
1
T
B
dT
dR
R
1
Disminuye la sensibilidad
T
RT
RT
RP
Obtención de R1 (forzar tres puntos de paso en la curva)
3 P 2 P 2 P 1 P T R T R T R T R
3 2 2 1 T T T T
2 T 3 T 1 T
3 T 1 T 3 T 1 T 2 T 1
T R 2 T R T R
T R T R 2 T R T R T R R
RT
R1
E
Posible circuito de medida
Víctor Acevedo Saavedra
• Medida de temperatura
• Medidas basadas en la resistencia térmica
• Compensación de resistencias
RT
Rmetálica (aumenta con T)
(disminuye con T)
(Se puede conseguir que el conjunto apenas dependa de T)
-tº U
R1
RT
R1
RT
Entorno de referencia
Entorno de ensayo
U
Entorno de ensayo
Entorno de referencia Medida
Remanso Corriente
Zona aireada
Vacío
CO2 Aire
Caudal
Nivel vacío
Concentración CO2
Termistores NTC´s
Víctor Acevedo Saavedra
• PTC: Positive Temperature Coefficient
• Símbolo
• Existen dos tipos
– Regenerativas: presentan un cambio muy brusco de resistencia a una temperatura de terminada
– No regenerativas: el cambio es más gradual
+tº
+tº
Termistores PTC´s
Víctor Acevedo Saavedra
T
R
R1
R2
Tc
Regenerativa
T
R
R1
R2
No Regenerativa
• El cambio de resistencia es muy acentuado:
(p.e: R1=100 , R2=1M )
• La temperatura de cambio suele estar entre 50ºC y 140ºC
Termistores PTC´s
Víctor Acevedo Saavedra
• Detección de umbrales de temperatura:
• Protección de circuitos electrónicos:
+tº
U
Us
R
Comparador
UC
Circuito electrónico Carga
+tº
i
Corriente elevada
Calienta la PTC
Cambia la resistencia
“Se desconecta la carga” Funciona como un fusible, pero no se destruye
Termistores PTC´s
Víctor Acevedo Saavedra
Sensores de ultrasonido
• Medición de distancias, obstáculos y desplazamiento (SRF05)
Víctor Acevedo Saavedra
Sensores de ultrasonido
• Diagrama de tiempos y modos de operación 1
Víctor Acevedo Saavedra
Sensores de ultrasonido
• Diagrama de tiempos y modos de operación
Víctor Acevedo Saavedra
Sensores de ultrasonido
• Diagrama de tiempos y modo de operación 2
Víctor Acevedo Saavedra
Sensores de ultrasonido
• Diagrama de tiempos y modo de operación 2
Víctor Acevedo Saavedra
Sensores de ultrasonido
• Haz de emisión
Víctor Acevedo Saavedra
Transductores de temperatura
• La temperatura es una variable importante en el
ámbito biomédico:
– Estado general del paciente
– Muestra el resultado de reacciones
– Da indicios de procesos infecciosos
– Algunas fenómenos se dan a temperaturas específicas
Víctor Acevedo Saavedra
Termocuplas
• Utiliza la diferencia de potencial generada por la unión de dos metales
• http://www.efunda.com/DesignStandards/sensors/thermocouples/thmcple_intro.cfm
Víctor Acevedo Saavedra
Termocuplas
• La temperatura se mide con respecto a una referencia llamada juntura fría o baño helado
Víctor Acevedo Saavedra
Termocuplas
• Voltaje de Seebeck (1821)
ricatermoeléctadSensibilid
scentígradogradosT
bTadt
dE
bTaTE
:
:
...
...2
1 2
Víctor Acevedo Saavedra
Termocuplas
• Tipos de termocuplas
http://www.sapiensman.com/medicion_de_temperatura/termocuplas.htm Víctor Acevedo Saavedra
Termocuplas
• Respuesta de las termocuplas
Víctor Acevedo Saavedra
Termómetro de resistencia • Los metales cambian sus resistencia con la
temperatura
Termómetro de resistencia de platino
Víctor Acevedo Saavedra
Termómetro de resistencia • Generalmente se montan como un brazo del puente
de Wheatstone
00
00
000
:
)(:
)(:
)](1[
TaadresistividladetempdeeCoeficient
CTatemperaturlaaRR
CTatemperaturlaaRR
TTRR
tt
tt
Víctor Acevedo Saavedra
Termistores
• Resistencias semiconductoras variables con temperatura, poseen coeficiente térmico más alto.
Víctor Acevedo Saavedra
Termistores
• Tienen buena sensibilidad y estabilidad
2
00
]/)([
0
1
)(:
)(:
)(:
00
TdT
dR
R
KmaterialdelConst
KTatemperaturlaaRR
KTatemperaturlaaRR
eRR
t
t
tt
TTTT
t
Víctor Acevedo Saavedra
Termistores
• Curvas características
Autocalentamiento
Víctor Acevedo Saavedra
Termistores
• Linealización del termistor
rangodelmediaatemperaturlaaRR
paraleloenRR
T
TRR
mt
p
m
mmtp
:
:
2
)2(
,
,
Víctor Acevedo Saavedra
Termistores
• Aplicaciones
Temperatura oral Temperatura piel en neonatos
Termistor/termopar para estudios de sueño
Víctor Acevedo Saavedra
Termometría de radiación
• Definición y ecuaciones
)(1
,.
)(1044.1
)/(1074.3
:
,)1(
4
2
244
1
25
1
2
negrocuerpoemisividad
KnegrocuerpodeTempT
KmC
cmmWC
ondadelongituddeunidadpor
áreadeunidadporradianteFlujoW
mcm
W
e
CW
TC
Víctor Acevedo Saavedra
Termometría de radiación
• Gráfica de espectros de radiación
emisividad
KcmwBoltzmannStefandeCte
radiantetotalPotenicaW
cm
WTW
T
T
)/(1067.5
:
,
4212
2
4
Víctor Acevedo Saavedra
Termometría de radiación
• Sistema de medición
Víctor Acevedo Saavedra
Sensores de temperatura en Circuitos integrados
• Diodo semiconductor
Víctor Acevedo Saavedra
Sensores de temperatura en Circuitos integrados
• LM35/LM135/LM335
Víctor Acevedo Saavedra
Sensores de temperatura en Circuitos integrados
• AD590
Víctor Acevedo Saavedra
Sensores de fibra óptica • Utilizan la propiedad de absorción de energía
dependiente de la temperatura por parte del GaAs.
Fibra transmisión
Fibra recepción
Resina epóxica
Sensor GaAs
0.25 mm
Víctor Acevedo Saavedra
Píldora termosensitiva • Emplean un oscilador piezoeléctrico cuya frecuencia
varía en función de la temperatura
Víctor Acevedo Saavedra
Transductores de fuerza • Diversas aplicaciones en biomédica
Víctor Acevedo Saavedra
Transductores de fuerza • Piezoeléctricos
cristaldelAnchox
AreaA
adieléctricConst
áreadeunidadporQD
xA
FDV
:
:
.:
:
)(
Víctor Acevedo Saavedra
Transductores de fuerza
• Piezorresistivos
Víctor Acevedo Saavedra
Transductores de fuerza
• Piezorresistivos: Piezomed
Víctor Acevedo Saavedra
Transductores de fuerza • Celdas de carga: Aplicación de strain-gages
Víctor Acevedo Saavedra
Transductores de fuerza • Celdas de carga gráficas comerciales
Víctor Acevedo Saavedra
• DEFINICIÓN Y FUNDAMENTO FÍSICO
RTD: Resistance Temperature Detector
INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA
+ º
Víctor Acevedo Saavedra
MODELO MATEMÁTICO
INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA
n
nTTTRR ...1 2
210
R Resistencia medida. R0 Resistencia a la temperatura de referencia. T Incremento de temperatura respecto a la de referencia. Coeficiente de temperatura de la resistencia. Depende tanto del
cambio de resistividad como al cambio de dimensión debido al cambio de temperatura.
TRR 10 1
Víctor Acevedo Saavedra
MODELO MATEMÁTICO
INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA
METALES RESISTIVIDAD ( ) COEFICIENTE TÉRMICO ( )
m K-1
Cobre 1,68·10-8
4,3·10-3
Níquel 6,84·10-8
7·10-3
Platino 10,6·10-8
3,9·10-3
Wolframio 5,6·10-8
4,5·10-3
TRR 10 1
Víctor Acevedo Saavedra
CURVAS DE CALIBRACIÓN
INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA
Víctor Acevedo Saavedra
CURVAS DE CALIBRACIÓN
INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA
Víctor Acevedo Saavedra
CONDICIONES DE MEDIDA
- No autocalentamiento.
- No deformaciones mecánicas.
- No gradientes de temperatura.
- No derivas de tiempo
INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA
TPD
PD Potencia disipada. T Incremento de T. Representa el error por autocalentamiento. Coeficiente disipación térmica.
k
hlMóduloBiot
h Coeficiente de transmisión de calor. l Dimensión menor del sólido. k Coeficiente de conductividad térmica.
Víctor Acevedo Saavedra
AUTOCALENTAMIENTO
INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA
tPD
PD Potencia disipada. t Incremento de T. Representa el error por autocalentamiento. Coeficiente disipación térmica.
R Resistencia térmica de la RTD con el medio. I Valor efectivo de la corriente. Rt Resistencia de la RTD a la temperatura t. Ta Temperatura ambiente.
ta RIRttt ·· 2
Víctor Acevedo Saavedra
• TIPOS DE RTD
INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA
TIPOS DE RTD
FORMA CONSTRUCTIVA
TAMAÑO
CARACTERÍSTICAS DEL MEDIO
TIPO DE METAL UTILIZADO
VALOR DE R0
PRECISIÓN
Víctor Acevedo Saavedra
FORMA CONSTRUCTIVA
INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA
Víctor Acevedo Saavedra
FORMA CONSTRUCTIVA
INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA
Víctor Acevedo Saavedra
TAMAÑO
INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA
Víctor Acevedo Saavedra
CARACTERÍSTICAS DEL MEDIO
INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA
Víctor Acevedo Saavedra
MATERIAL UTILIZADO
INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA
METALESRESISTIVIDAD
( )
COEFICIENTE
TÉRMICO ( )
DIÁMETRO MÍNIMO
DEL HILO
PRECISIÓN
USUAL
m K-1 mm ºC
Platino 10,6·10-8
3,9·10-3 -200 950 0,05 0.01
Níquel 6,84·10-8
7·10-3 -150 300 - 0.50
Cobre 1,68·10-8
4,3·10-3 -200 120 - 0.10
INTERVALO ÚTIL DE
TEMPERATURA
ºC
Víctor Acevedo Saavedra
VALOR R0
INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA
METALESMARGEN ÚTIL DE
TEMPERATURACOEFICIENTE TÉRMICO ( )
ºc
Balco 25, 100, 400, 500, 1000 y 2000
Cobre 10, 50, 100, 1000 y 2000
Níquel 120, 1000
Platino 10, 100, 1000
Wolframio 100, 1000 y 2000
Víctor Acevedo Saavedra
PRECISIÓN
RC21-4-1966 SAMA
(Scientific Apparatus Makers Association)
DIN 43760-1968
(Deutsches Institut für Normung)
IEC 751
UNE-EN60751
INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA
Víctor Acevedo Saavedra
PRECISIÓN
INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA
CLASE DE TOLERANCIA PT100 SEGÚN
IEC 751:1995+ ºC [ 0 ºC] + Ω [ 0 ºC]
A 0,15 0,06
B 0,30 0,12
1/3 Clase B 0,10 0,04
1/5 Clase B 0,06 0,021/10 Clase B 0,03 0,01
Víctor Acevedo Saavedra
PUENTE WHEATSTONE ALIMENTADO CON TENSIÓN
INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA
21
3
20
0
1
1
RR
RV
RtR
tRVVVV abs
31
3
20
0
RR
R
RR
R
trr
trVVs
11
3021 rRrRRR
21r
trVVsL %100
1%100%
r
t
V
VV
s
sLsLV
Víctor Acevedo Saavedra
INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA
trr
trVVs
11
21r
trVVsL
PUENTE WHEATSTONE ALIMENTADO CON TENSIÓN
21 tr
rV
dt
dVS S
V
21r
rV
dt
dVS LS
LV
Víctor Acevedo Saavedra
PUENTE WHEATSTONE ALIMENTADO POR CORRIENTE
INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA
tr
trrRReq
·22
·110
tr
trRIVS
12
··0
12
··0
r
trRIV
LS
%10012
%100%r
t
V
VV
s
sLsLI
2022
12
tr
rrIR
dt
dVS S
I
120
r
rIR
dt
dVS SL
LI
Víctor Acevedo Saavedra
CONEXIÓN A 3 HILOS
INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA
0
0
211
1
R
Rtrr
R
Rrtr
VVW
W
S
0
0
211
1
R
Rtrtr
R
Rtr
W
W
r
0
0
211
1
R
Rrr
R
Rr
W
W
r
Víctor Acevedo Saavedra
CONEXIÓN A 4 HILOS
INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA
Víctor Acevedo Saavedra
CONEXIÓN A 2 HILOS
INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA
Víctor Acevedo Saavedra
OTROS CIRCUITOS ACONDICIONADORES
INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA
tR
RVVS 1
1
0 tRR
RVVS 1
01
0 tR
RVVS 1
1
0
(a) (b) (c)
Víctor Acevedo Saavedra
OTROS CIRCUITOS ACONDICIONADORES
INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA
(a) (b) (c)
tRIGRIGVS 00
tRIGRIGVVGVS 0021
tRIGRIGVS 00
Víctor Acevedo Saavedra
APLICACIONES
- Medida de temperaturas.
- Aplicaciones domésticas.
- Automovilismo
- Aplicaciones industriales (Control de Procesos).
INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA
Víctor Acevedo Saavedra
RTD COMERCIALES
- SENSORES Pt100
Alto coeficiente de temperatura
Alta resistividad
Relación lineal entre resistencia
Rigidez y ductilidad del material
Estabilidad de sus características en su vida útil
INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA
Víctor Acevedo Saavedra
RTD COMERCIALES: Pt 100
INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA
Víctor Acevedo Saavedra
RTD COMERCIALES: Pt 100
INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA
Víctor Acevedo Saavedra
RTD COMERCIALES
INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA
Víctor Acevedo Saavedra
RTD COMERCIALES: Sensor de níquel
INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA
Víctor Acevedo Saavedra
RTD COMERCIALES: Sensor de níquel
INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA
Víctor Acevedo Saavedra
RTD COMERCIALES: Sensor de níquel
INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA
Víctor Acevedo Saavedra
INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA
RTD COMERCIALES: Sensor de níquel
Víctor Acevedo Saavedra
INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA
RTD COMERCIALES: Sensor de níquel
APLICACIÓN CONTROLADOR DE AIRE ACONDICIONADO
DISTRIBUIDOR SIEMENS
LOCALIZACIÓN MULTINACIONAL (ESPAÑA)
WEB www.eci.siemens.com
SENSORES NECESARIOSNI1000
PRECIO INDETERMINADO
APLICACIÓN DETALLADA
Control de calor, frío y humedad de un aparato de aire acondicionado.
Víctor Acevedo Saavedra
INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA
RTD COMERCIALES: Sensor de níquel
INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA
RTD COMERCIALES: Catálogo
Víctor Acevedo Saavedra
VENTAJAS RTD TERMISTOR SENSOR IC TERMOPAR
MÁS ESTABLE ALTO RENDIMIENTO EL MÁS LINEAL AUTOALIMENTADO
MÁS PRECISO RÁPIDO EL DE MAYOR RENDIM. ROBUSTO
MÁS LINEAL TERMOPAR MEDIDA 2 HILOS ECONÓMICO ECONÓMICO
DESVENTAJAS RTD TERMISTOR SENSOR IC TERMOPAR
CARO NO LINEAL LIMITADO A T<250 ºC NO LINEAL
LENTO RANGO T LIMITADO LENTO BAJA TENSIÓN
PRECISA FUENTE AL. PRECISA FUENTE AL. PRECISA FUENTE AL. PRECISA REFERENCIA
PEQ. CAMBIO RESIST. FRÁGIL CONFIG. LIMITADAS MENOS ESTABLE
MEDIDA 4 HILOS AUTOCALENTABLE AUTOCALENTABLE MENOS SENSIBLE
AUTOCALENTABLE
AMPLIA VARIEDAD
FORMAS FÍSICAS
AMPLIA GAMA DE
TEMPERATURAS
INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA
COMPARACIÓN
Víctor Acevedo Saavedra