5Universidad Distrital Francisco Jos de Caldas. Rodrguez, Ruiz, Moya. Sensores Trmicos.

[footnoteRef:1] [1: Este artculo se realiza para conocer los aspectos fundamentales de los instrumentos de medicin para temperatura.L. Ortiz Rodrguez , cursa Ingeniera elctrica, en la Universidad Distrital Francisco Jos de Caldas, Bogot, lortizr@correo.udistrital.edu.coJ.C. Ruiz, cursa Ingeniera elctrica, en la Universidad Distrital Francisco Jos de Caldas, Bogot, jruizc@correo.udistrital.edu.coS.D. Moya Hilarin, cursa Ingeniera elctrica, en la Universidad Distrital Francisco Jos de Caldas, Bogot, sdmoyah@correo.udistrital.edu.co]

Laboratorio No. 4 Sensores Trmicos

Ortiz Rodrguez Leonardo, Ruiz Juan Carlos, Moya Hilarin Sergio David lortizr@correo.udistrital.edu.co jruizc@correo.udistrital.edu.co sdmoyah@correo.udistrital.edu.coAbstract During the development of this practice we observe the behavior of a thermistor and thermocouple also find their electrical characteristics associated with temperature.Consequently the characteristics of these elements are analyzed previously knowing its internal operation to thereby determine the most appropriate when measuring temperature depending on the environment in which the sensors are.

Resumen: Durante el desarrollo de esta prctica observamos el comportamiento de un termistor y termocupla, adems encontraremos sus caractersticas elctricas asociadas a la temperatura.

En consecuencia se analizaran las caractersticas de dichos elementos, conociendo previamente su funcionamiento interno para de esta manera determinar cul es el ms adecuado a la hora de medir temperatura dependiendo del medio en que se encuentre dichos sensores.

ndice de TrminosSensor, Termistor, Termocupla, temperatura.INTRODUCCIN

La magnitud fsica de temperatura es difcil de medir, ya que esta no es constante y tiene demasiadas variaciones durante un periodo corto de tiempo, sin embargo, se han creado diferentes transductores con aleaciones de metales conductores, los cuales convierten esta temperatura en una variable elctrica medible bien sea ohmios para los termistores y en voltios para las termocuplas.

Por lo anterior es necesario realizar la curva de respuesta de nuestros sensores trmicos, para analizarlos y luego observar su comportamiento. As determinaremos las ventajas y desventajas de cada uno de ellos.OBJETIVO GENERAL Reconocer algunos tipos de sensores trmicos, determinar algunas de sus caractersticas.objetivos especficos Determinar la sensibilidad de los termistores y termocuplas Analizar las razones por las cuales en los NTC la variacin de la resistencia es inversa a la temperatura. Conocer la razn por la cual en las termocuplas una diferencia de temperatura crea una diferencia de potencial. Observar el rango de temperatura que manejan los sensores. Tomar datos y realizar la curva caracterstica de los transductores usados MARCO REFERENCIAL

Termistor:

Son resistores variables con la temperatura, pero no estn basados en conductores como las RTD, sino en semiconductores (es un elemento que se comporta como unconductoro como unaislantedependiendo de diversos factores).

El termistor es un tipo de transductor pasivo, sensible a la temperatura y que experimenta un gran cambio en la resistencia elctrica cuando est sujeto a pequeos cambios de temperatura.

Figura 1 Termistor.

Los termistores son resistores variables con la temperatura basada en semiconductores, los cuales se clasifican en:

Clasificacin de los termistores

Existen dos tipos de termistores dependiendo el coeficiente de temperatura Si es negativo: NTC (Las cuales se fabrican a base de mezclar y sinterizar xidos dopados de metales como el nquel, cobalto, manganeso, hierro y cobre) Si es positivo se denominan PTC (basadas en titanato de bario al que se aade titanato de plomo o de circonio para determinar la temperatura de conmutacin)

Funcionamiento.

El funcionamiento de un termistor se basa en la variacin de la resistencia de un semiconductor con la temperatura, debido a la variacin de la concentracin de portadores. Para los termistores NTC, al aumentar la temperatura, aumentar tambin la concentracin de portadores, por lo que la resistencia ser menor, de ah que el coeficiente sea negativo. Para los termistores PTC, en el caso de un semiconductor con un dopado muy intenso, ste adquirir propiedades metlicas, tomando un coeficiente positivo en un margen de temperatura limitado.

Principales caractersticas.

1. Su rango de temperaturas esta entre -50C y 150C, aunque las unidades encapsuladas pueden alcanzar hasta los 300C.

2. En la mayora de la aplicaciones para una temperatura de 25C la resistencia vara entre 100 ohm y 100Kohm.

3. Tienen un tamao reducido que hacen que la repuesta a los cambios de temperatura sea rpida(tienen mayor sensibilidad a los cambios de temperatura que otro transconductores).

4. Son autocalentables, lo que hace que puedan ser indeseables en algunas aplicaciones, y que otras bases su funcionamiento en ese fenmeno

5. Gracias a la intercambiabilidad (tolerancia con la que es producido un termistor),es posible cambiar un termistor por otro en un sistema, sin necesidad de volver a calibrar el aparato de medida.

Para temperaturas reducidas a 50 C la dependencia de la resistencia con la temperatura se puede considerar de tipo exponencial de la forma:

Figura 2 Ecuacin caracterstica de los termistores.

Dnde Ro= Resistencia a la temperatura de referencia (Normalmente a 25C).

To=Temperatura de referencia en grados kelvin (To=273+25=298K).

B=Temperatura caracterstica del materia (aprox 4000K).

Parmetro BEl parmetro B es la denominada temperatura caracterstica del material, y tiene valores de 2000 K a 5000 K, pero vara con la temperatura.El valor de B se puede encontrar midiendo la resistencia del termistor a dos temperaturas conocidas T1 y T2. Si la resistencia respectiva es R1 y R2 tendremos

Figura 3 Ecuacin del parmetro B

.Para un termistor tpico, en el margen de 0 a 50 C el error cometido al emplear un modelo de dos parmetros es del orden de + 0,3 C. Con tres parmetros se logran errores de + 0,01 C en un margen de 100 C.

Figura 4 Ecuacin emprica de Steinhart y Hart

Esta ecuacin viene descrito en este caso mediante la ecuacin emprica de Steinhart y Hart (es un modelo de laresistenciade unsemiconductor a diferentestemperaturas)

Cabe aclarar que A, B, y C, son constantes, las cuales midiendo R a temperaturas distintas, y resolviendo el sistemas de ecuaciones resultante.

Figura 5 Ecuacin emprica de Steinhart y Hart

Este es el mtodo de los 4 parmetros y se usa obtener un error ms bajo, ya que, con este mtodo de los 4 parmetros tenemos un error de solo 0,0015C

Termocupla:

Figura 6 Termocupla tipo J.

Las termocuplas son el sensor de temperatura ms comn utilizado industrialmente. Una termocupla se hace con dos alambres de distinto material unidos en un extremo (soldados generalmente). Al aplicar temperatura en la unin de los metales se genera un voltaje muy pequeo (efecto Seebeck) del orden de los milivolts el cual aumenta con la temperatura.Por ejemplo, una termocupla "tipo J" est hecha con un alambre de hierro y otro de constatan (aleacin de cobre y nickel) Al colocar la unin de estos metales a 750 C, debe aparecer en los extremos 42.2 milivolts.

Figura 7 Diagrama de una termocupla.

Normalmente las termocuplas industriales se consiguen encapsuladas dentro de un tubo de acero inoxidable u otro material (vaina), en un extremo est la unin y en el otro el terminal elctrico de los cables, protegido adentro de una caja redonda de aluminio (cabezal).

Condiciones para temperatura con la termocupla:

Al ser la temperatura es una de las variables fsicas que presenta mayor dificultad a la hora de ser medida o sensada, debido a que la temperatura del medio influye sobre el sensor que esta contacto con la magnitud a medir. Por lo anterior para obtener una medida exacta se deben cumplir las siguientes condiciones:

Los cuerpos no deben intercambiar calor con fuentes externas o internas, Los cuerpos deben estar en equilibrio mutuo. Los cuerpos han tenido contacto trmico en un periodo largo de tiempo.

Figura 8 Tipos de Termocuplas.

Tipos de termocuplas.

Existen una infinidad de tipos de termocuplas, en la tabla aparecen algunas de las ms comunes, pero casi el 90% de las termocuplas utilizadas son del tipo J o del tipo K.

Tipo K(Cromel (aleacin deNi-Cr) / Alumel (aleacin deNi-Al)): con una amplia variedad de aplicaciones, est disponible a un bajo costo y en una variedad de sondas. Tienen un rango de temperatura de -200Ca +1372 C y una sensibilidad 41V/C aproximadamente. Posee buena resistencia a la oxidacin.

Tipo E(Cromel /Constantn(aleacin deCu-Ni)): No son magnticos y gracias a su sensibilidad, son ideales para el uso en bajas temperaturas, en el mbito criognico. Tienen una sensibilidad de 68 V/ C.

Tipo J(Hierro/ Constantn): Su rango de utilizacin es de -270/+1200C. Debido a sus caractersticas se recomienda su uso en atmsferas inertes, reductoras o en vaco, su uso continuado a 800C no presenta problemas, su principal inconveniente es la rpida oxidacin que sufre el hierro por encima de 550C y por debajo de 0C es necesario tomar precauciones a causa de la condensacin de vapor de agua sobre el hierro.

Tipo T(Cobre/Constantn): ideales para mediciones entre -200 y 260C. Resisten atmsferas hmedas, reductoras y oxidantes y son aplicables en criogenia. El tipo termopares de T tiene una sensibilidad de cerca de 43 V/C.

Tipo N(Nicrosil(Ni-Cr-Si/Nisil(Ni-Si)): es adecuado para mediciones de alta temperatura gracias a su elevada estabilidad y resistencia a la oxidacin de altas temperaturas, y no necesita delplatinoutilizado en los tipos B, R y S que son ms caros.Por otro lado, los termopares tipo B, R y S son los ms estables, pero debido a su baja sensibilidad (10 V/ C aprox.) generalmente son usados para medir altas temperaturas (superiores a 300 C). Tipo B(Platino(Pt)-Rodio(Rh)): son adecuados para la medicin de altas temperaturas superiores a 1800C. Los tipo B presentan el mismo resultado a 0C y 42C debido a su curva de temperatura/voltaje, limitando as su uso a temperaturas por encima de 50C.

Tipo R(Platino(Pt)-Rodio(Rh)): adecuados para la medicin de temperaturas de hasta 1300C. Su baja sensibilidad (10 V/C) y su elevado precio quitan su atractivo.

Tipo S(Platino/Rodio): ideales para mediciones de altas temperaturas hasta los 1300C, pero su baja sensibilidad (10 V/C) y su elevado precio lo convierten en un instrumento no adecuado para el uso general. Debido a su elevada estabilidad, el tipo S es utilizado para la calibracin universal delpunto de fusindeloro(1064,43 C).Los termopares con una baja sensibilidad, como en el caso de los tipos B, R y S, tienen adems una resolucin menor. La seleccin de termopares es importante para asegurarse que cubren el rango de temperaturas a determinar (Anexo 1).

Figura 9 Rango de operaciones de los diferentes tipos de termocuplas.En la figura 9 encontramos la escala de operacin de los principales tipo de termocuplas y su tolerancia. Existen tres clases de tolerancias las cuales el usuario debe tener en cuenta a la hora de elegir la que mejor cubra su necesidad. Clase 1 es la ms exacta Clase 2 estndarEsto quiere decir que la clase 2 (dos) introduce un mayor error en la medida

USOS TPICOS DE LAS TERMOCUPLAS

Las termocuplas tipo J se usan principalmente en la industria del plstico, goma (extrusin e inyeccin) y fundicin de metales a bajas temperaturas (Zamac, Aluminio).

La termocupla K se usa tpicamente en fundicin y hornos a temperaturas menores de 1300 C, por ejemplo fundicin de cobre y hornos de tratamientos trmicos.Las termocuplas R, S, B se usan casi exclusivamente en la industria siderrgica (fundicin de acero) Finalmente las tipo T eran usadas hace algn tiempo en la industria de alimentos, pero han sido desplazadas en esta aplicacin por los Pt100.

Figura 10 Materiales de las Termocuplas.

Uno de los elementos con gran importancia en la termocupla es el cable, pues es quien lleva la informacin desde la unin caliente a la unin en frio del sensor, tambin son importantes el dimetro y la longitud del cable pues si no estn diseados como debe ser pueden introducir errores en la toma de datos. Debido a que hay muchos tipos de termopares y como no se puede ver la aleacin de un cable de inmediato, se ha introducido un cdigo de color. El estndar actual es vlido IEC584-4. De acuerdo con esta norma todos los conductores negativos son de color blanco, mientras que los conductores positivos y aislamiento comn tienen el mismo color.

Figura 11 Curvas caractersticas de los diferentes tipos de Termocuplas..

Materiales Necesarios

1. Termistor tipo N (Procure comprar un termistor que a temperatura ambiente tenga un alto valor resistivo, ojala de algunos miles de ohmios)

2. Termocupla tipo K otorgada por la universidad

3. Algn dispositivo que le permita aumentar la temperatura del termistor y la termocupla hasta 100o C. Procedimiento

1- Implementar un medidor de direccin del viento, de alcance 360 (giro libre), el cual por medio de la ayuda de LabView, MatLab o una LCD permita visualizar a travs de una interfaz grfica las 8 direcciones del viento primarias de acuerdo a la nomenclatura de la figura 1, si es necesario, disear el sistema de acondicionamiento de la seal; se recomienda el uso de un microcontrolador y del sensor ptico CNY70.

Figura 9Direcciones del viento.

Tabla 2: Cdigo asignado a la posicin geogrfica del disco

En las siguientes figuras se mostraran los resultados que se visualizaron en el computador, cuando el disco apuntaba a la posicin geogrfica requerida.

Al valor 1, 1, 1 se la asigno la posicin norte, cuando el arduino detectara el valor del voltaje determinado en el cdigo enviado por los sensores CNY70.

Figura 10Direcciones del viento, cuando el disco est en la posicin 1, 1, 1.

Al valor 1, 1, 0 se la asigno la posicin Nor-oriente, cuando el arduino detectara el valor del voltaje determinado en el cdigo enviado por los sensores CNY70.

Figura 11Direcciones del viento, cuando el disco est en la posicin 1, 1, 0.

Al valor 0, 1, 0 se la asigno la posicin Oriente, cuando el arduino detectara el valor del voltaje determinado en el cdigo enviado por los sensores CNY70.

Figura 12Direcciones del viento, cuando el disco est en la posicin 0, 1, 0.

Al valor 0, 0, 0 se la asigno la posicin Sur-Oriente, cuando el arduino detectara el valor del voltaje determinado en el cdigo enviado por los sensores CNY70.

Figura 13Direcciones del viento, cuando el disco est en la posicin 0, 0, 0.

Al valor 1, 0, 0 se la asigno la posicin Sur, cuando el arduino detectara el valor del voltaje determinado en el cdigo enviado por los sensores CNY70.

Figura 14Direcciones del viento, cuando el disco est en la posicin 1, 0, 0.

Al valor 1, 0, 1 se la asigno la posicin Sur-Occidente, cuando el arduino detectara el valor del voltaje determinado en el cdigo enviado por los sensores CNY70.

Figura 15Direcciones del viento, cuando el disco est en la posicin 1, 0, 1.

Al valor 0, 0, 1 se la asigno la posicin Occidente, cuando el arduino detectara el valor del voltaje determinado en el cdigo enviado por los sensores CNY70.

Figura 16Direcciones del viento, cuando el disco est en la posicin 0, 0, 1.

Al valor 0, 1, 1 se la asigno la posicin Occidente, cuando el arduino detectara el valor del voltaje determinado en el cdigo enviado por los sensores CNY70.

Figura 17Direcciones del viento, cuando el disco est en la posicin 0, 1, 1

Anlisis de resultados La sensibilidad de los CNY70 es alta, ya que, el cambio que se produce en la variable de salida genera el mensaje de la direccin a dnde apunta el disco.

El arduino tiene una capacidad alta de muestreos por ciclo, es decir, realiza recibir varios datos en un corto tiempo.

Los sensores CNY70 tienen un umbral alto, porque deba de estar cerca del disco para leer el dato.Anexos A continuacin se anexa el cdigo en arduino para el montaje.

int x;int y;int z;int m;void setup() {Serial.begin(9600);}void loop() { x= analogRead(A0); y= analogRead(A1); z= analogRead(A2); if(x>380){ x=1; } else{ x=0; } if(y>380){ y=1; } else{ y=0; } if(z>380){ z=1; } else{ z=0; } m=(z*4+y*2+x); if (m==7) { Serial.println("Norte"); } if (m==6) { Serial.println("Nororiente"); } if (m==5) { Serial.println("SurOccidente"); } if (m==4) { Serial.println("Sur"); } if (m==3) { Serial.println("NorOccidente"); } if (m==2) { Serial.println("Oriente"); } if (m==1) { Serial.println("Occidente"); } if (m==0) { Serial.println("SurOriente"); } Serial.println(m); } CONCLUSIONES

El uso de seales digitales facilita la recoleccin de datos.

El cdigo de gray tiene un cambio de B.I.T por posicin geogrfica, y por ello nos facilit la prctica.

Los sensores son elementos pasivos. Y deben de ser exactos y precisos.

Como el umbral es alto, su rango de operacin es bajo.

Se cumplieron a cabalidad los objetivos de la prctica.

referencias [1] Sensor CNY70 Disponible [Online]: http://www.info-ab.uclm.es/labelec/solar/otros/infrarrojos/sensor_cny70.htm. Recuperado el 23 de Septiembre de 2014. [2] El sensor CNY70 como entrada digital Disponible [Online]: http://castilla.verkstad.cc/es/tutorial/el-sensor-cny70-como-entrada-digital-2/. Recuperado el 23 de Septiembre de 2014.[3] CREUS SOL, Antonio. Instrumentacin Industrial. 6 Ed. Alfa omega, 1998