sensores de temperatura final

RTD-TERMISTORES-TERMOCUPLAS

-Temperatua -Sensores de temperatura-Tipos de sensores-Condiciones para elegir un sensor de temperatura-Termocuplas

Principio de funcionamientoCaractersticasTipos

-RTDsPrincipio de funcionamientoCaractersticas relevantes

-TermistoresPrincipio de FuncionamientoCarctersticas

- Anexo Costos

PROGRAMA

TEMPERATURA

Es una de las magnitudes mensurables mas importantes

Fluye de un cuerpo caliente a uno frio

Ley cero de termodinmica

La temperatura de un cuerpo se define como

una medida de su energa

Despus de cierto tiempo el cuerpo llegara al equilibrio trmico y

cesaran las transferencias de calor

Escalas de Temperatura: Celsius Kelvin Fahrenheit Rankines

La temperatura no se mide directamente, se observan sus efectos:

- Cambio de Resistencia Elctrica- Dilatacin

Los sensores de temperatura pueden ser:

Mecnicos

Por cambio de caractersticas elctricas de los materiales con respecto al cambio de temperatura.

Rango de temperaturas de operacin Condiciones de corrosin Comportamiento a condiciones extremas Influencia de mecnica esttica. Influencia dinmica. Precisin Condiciones atmosfricas. Condiciones ambientales Temperatura mnima y mxima de operacin Sensibilidad Blindado del conductor.

Es un transductor o sensor de temperatura compuesto por una unin bimetlica que se encuentra a diferentes temperaturas, una tomada como referencia y la otra como una temperatura desconocida.

Fig. 1. Representacin grfica de la Termocupla. (1)

Las termocuplas estn encapsuladas, las capsulas son puestas a tierra debido a que en el ambiente se presentan campos magnticos que pueden generar corrientes parsitas. (1)

El principio de funcionamiento de una Termocupla se basa en lageneracin de una pequea seal de voltaje que va en relacin alcambio de temperatura de la unin bimetlica.

Tipos de Termocuplas Tipo B:

Compuesto por dos metales en aleacin como platino y rodio en diferentes proporciones.

Ventajas Su capacidad para medir temperaturas levemente mas

altas, mayor estabilidad y resistencia mecnica. Su uso puede ser en ambientes con temperaturas hasta

de 1.700 C y usadas continuamente en ambientes oxidantes o inertes.

Pueden ser usadas durante cortos periodos de tiempo en el vaco

Tipos de Termocuplas Tipo R:

Las termocuplas tipo R estn compuestas por una aleacin de platino y 13% de Rodio pueden ser utilizadas en forma continua en atmosferas oxidantes o inertes hasta 1.450C No son tan estables como las tipo B en el vaco.

Tiene mayor FEM de salida comparada con la de tipo B.

Fig. 3. Ejemplo de una Termocupla tipo R. (1)

Tipos de Termocuplas Tipo S:

Este tipo de aleacin es original de rodio y platino, su punto de operacin es tomado como referencia internacional para los dems dispositivos o termopares en diferentes proporciones de aleaciones Rodio-Platino.

El rango de operacin de estos termopares es de 0-1450 C.

Fig. 1. Ejemplo de una Termocupla tipo S. (2)

Tipos de Termocuplas Tipo J:

La Termocupla de tipo J presenta una aleacin de Cobre-Nquel (Constantn) en el terminal negativo de la juntura, y Hierro en el terminal positivo.

Son efectivas para el uso en atmosferas oxidantes, reductoras e inertes.

Este tipo de Termocupla es de bajo costo.

Puesto que el Hierro puro se oxida rpidamente es necesario disear una Termocupla con un mayor dimetro segn la necesidad y el ambiente de aplicacin.

Fig. 4. Ejemplo de una Termocupla tipo J. (2)

Tipos de Termocuplas Tipo K:

Este tipo se conoce como Chromel-Alumel.

Aleacin de metales: 90% Nquel y 10% de Cromo, la otra terminal lleva 95% de Nquel y el 5% con aluminio silicio y manganeso.

Este tipo de Termocupla es mas usada industrialmente debido a su gran rango de operacin.


Tipos de Termocuplas Tipo T:

Este tipo de Termocupla posee aleacin llamada Constantn.

Resulta bastante aplicable en atmosferas oxidantes, reductoras en inertes.

Su rango de temperatura es muy corto.


Fig. 6. Curvas de respuesta de las termocuplas (2)

El principal inconveniente de las termocuplas es su necesidad de"compensacin de cero". Esto se debe a que en algn punto, habr queempalmar los cables de la termocupla con un conductor normal decobre.

En ese punto se producirn dos nuevas termocuplas con el cobre comometal para ambas, generando cada una un voltaje proporcional a latemperatura de ambiente ( Ta ) en el punto del empalme.

Antiguamente se solucionaba esteproblema colocando los empalmes en unbao de hielo a cero grados para quegeneren cero voltaje (Ta = 0 y luegoV(Ta) = 0 ).

Cuando el instrumento est muy retirado del lugar de medicin, nosiempre es posible llegar con el mismo cable de la termocupla alinstrumento. Esto ocurre especialmente cuando se estn usandotermocuplas R, S B hechas con aleacin de platino de muy alto precio.

La solucin de este problema es usar los llamados "cablescompensados" para hacer la extensin del cable. Estos exhiben elmismo coeficiente de Seebeck de la termocupla (pero hechos de otromaterial de menor precio ) y por lo tanto no generan termocuplasparsitas en el empalme.

Las termocuplas tipo J se usan principalmente en la industriadel plstico, goma (extrusin e inyeccin ) y fundicin demetales a bajas temperaturas (Zamak, Aluminio).

La termocupla K se usa tpicamente en fundicin y hornos atemperaturas menores de 1300 C, por ejemplo fundicin decobre y hornos de tratamientos trmicos.

Las termocuplas R, S, B se usan casi exclusivamente en laindustria siderrgica (fundicin de acero).

Finalmente las tipo T eran usadas hace algn tiempo en laindustria de alimentos, pero han sido desplazadas en estaaplicacin por los Pt100 (ver la nota tcnica 4).

RTDsResistivos: (Resistance Temperature detectors)

- RTDs Metlicos- RTDs Semiconductores o Termistores

Termoelctricos o termopares

Mecanismo a base de un material metlico o conductor que permite con La variacin de temperatura, variar su Resistencia elctrica en formaCasi lineal

Mas usados: Platino, Cobre, Nquel

RTDs Metlicos

Resistencia Vs Temperatura materiales conductores o metlicos

Tipos de sensores RTD Metlicos:

Mayor precisin y Estabilidad Relacin muy aproximada a lineal entre Resistencia Vs Temperatura

para un amplio rango de temperatura Su uso es muy frecuente: cubren un rango de T de -100C a 800C esto

del tipo de material utilizado.

Principio Fsico:

Vibracin en los tomos del metal, aumenta la probabilidad de colisin De los electrones.

Su resistencia (al paso de corriente elctrica) aumenta con la T

=

=

+l

A

Las variaciones de longitud y rea sonDespreciables frente a las de la ResistividadPropia del material .

Obtencin de los valores de Resistencia

Ecuacin Polinmica:

Construccin de un RTD metlico:

Su configuracin clsica RTD consta de:- Un cable de material metlico de longitud L arrollado sobre una bobina

de cristal o cermica.- Otro tipo de construccin es mediante una pelcula conductora.- Finalmente se encapsula en un material protector y se incluyen los

conectores para realizar las tomas temperatura.

= (1 + 1 + 2 + 3 +)

- Ro es el valor de resistencia a T=0C- El numero de variables (ai) depende del material, se denominan

Coeficientes de Callendar-Van Dusen.

Tipo Pelcula

Caractersticas de cada material de construccin en los RTDs:

Platino: - Es el material mas lineal (RvsT)- Rango de temperatura -50 a 550 C- Ro (en T=0C) es aproximadamente 25,5 ohmios- Rho del platino aumenta aproximadamente 0,39% de la resistividad

a 0 grados por grado de aumento de la temperatura.- Exactitud de 0,01C.- Resolucin de 0,001C.

Se tiene desviaciones permisibles de elementos de resistencia de platino(sin calibrar) se determinan mediante las siguientes ecuaciones de tolerancia:

Desviacin permisible clase A:

= (0.15 + 0.002)

Desviacin Permisible Clase B

= (0.3 + 0.005)

Nquel:- Es mas econmico que el platino- Permite tener un rango de 10 a 10000 ohmios en su valor de Ro- Mas sensible que el platino- Usos limitados debido a oxidaciones y deterioros de tipo qumico.- Comportamiento no tan lineal de la grafica RvsT solo en ciertos rangos

Cobre:- Conductor estable y econmico.- Dada su baja resistividad hace que las variaciones relativas de resistencia

sean menores que las de cualquier otro metal.- Se utiliza como sensor trmico solo para temperaturas que no excedan

los 180C por su punto de fusin.

Tungsteno:- Sensibilidad trmica superior a la del platino, por encimas de 100C y se

puede utilizar a temperaturas mas altas incluso con una linealidad superior.

- A causa de sus propiedades mecnicas su estabilidad es muy inferior a la del platino.

Metal Coeficiente detemperaturaC

Intervalo tildeTemperatura C

Costo Relativo Precisin

Platino 0.00392 -200 a 950 Alto 0.01

Nquel 0.00645 -150 a 300 Medio 0.50

Cobre 0.00425 -200 a 120 Bajo 0.10

Relaciones de materiales utilizados en sensores RTD.

Parmetros de RTD Metlicos

Para los RTD de platino se ha establecido especificaciones internacionales De caractersticas que debe manejar descriptas en la Norma IEC-751

El Pt100 es el tipo de construccin de sensor que mas se estudia.

Circuitos de medicin del RTD

Debido a que el RTD es un dispositivo resistivo, debe conducir unacorriente a travs del dispositivo y controlar el resultante de tensin. Sinembargo, cualquier resistencia en los cables que conectan a su sistemade medicin para la RTD se sumarn error a las lecturas. Para ejemplo,considere un elemento RTD de dos hilos conectado a un sistema demedicin que tambin suministra una fuente de corriente constante,IEX, Para impulsar la RTD. Como se muestra en la Fig.6, la cada detensin a travs de la resistencia del conductor, RL, Se suma a latensin medida.

Figura 6. Medicin de dos hilos RTD.

Por ejemplo, una resistencia de los cables de 0,3 en cada cable, R L , Aadeun error de 0,6 a la medicin de la resistencia. Para un RTD de platino con = 0,00385, la resistencia C es igual a un error de 0,6 /(0.385 / C) = 1,6C.Si est utilizando plomo en longitudes mayores de 10 pies, que probablementetenga que compensar esta ventaja resistencia. El mtodo de medicin RTDpreferido es utilizar una de cuatro hilos RTD. Un par de cables lleva la corrientea travs de la RTD; el otro par detecta la tensin en el RTD. Debido a que sloinsignificante la corriente fluye a travs de los hilos de detencin, el cable deplomo error de resistencia de R L2 y R L3 es insignificante. Esta configuracinse ilustra en la Figura 7.

Figura 7. Cuatro cables de medicin RTD

Para reducir los costos, es posible que en lugar que desee utilizar una de tres alambre deRDT. Mediante el uso de la de tres hilos RTD en un Configuracin de Wheatstone con unafuente de corriente, como se muestra en la Figura 4a, se puede compensar por elliderato resistencias. Observe que, en esta configuracin de puente, los efectos de RL1 yRL3 pueden cancelarse mutuamente ya que se encuentran en los brazos opuestos delpuente. Resistencia de plomo RL2 no aade significativa error porque poca corrientefluye a travs de l. Alternativamente, se puede utilizar una fuente de excitacin actual yconecte el de tres hilos RTD como se muestra en La Figura 4b. En esta configuracin, laresistencia de slo uno de los conductores, RL1 , Aade error de la medicin.

TERMISTORES:Los termistores son semiconductores con

un coeficiente de temperatura de

resistencia negativa de valor elevado y que

presentan una caracterstica lineal tensin-

corriente siempre que la temperatura se

mantenga constante.

SIMBOLO NTC

El termistor es, como su nombre lo indica, un resistor sensible a

la temperatura; es decir, su resistencia terminal se relaciona con su temperatura de cuerpo.

De esta grafica se observa el efecto sobre el

punto de funcionamiento en la curva debido

al aumento progresivo de la tensin en el

termistor.

La relacin entre la resistencia del

termistor y la temperatura viene dada

por la expresin:

Principio Fsico

Relacin de la resistencia de los semiconductores con la Temperatura

Al aumentar la temperatura el numero de portadores se reducen

Se reduce la resistividad y por ende la Resistencia TCR Negativo

Caracterstica especial:

Si el semiconductor esta muy dopado, adquiere propiedades Metlicas y en un margen de T limitado muestra

(como un RTD) un TCR Positivo

Mtodo para encontrar los valores de Relacin de la Temperatura con La resistencia:

NTCs: Para un margen de T reducido (hasta 50C), la relacin sePuede considerar de tipo exponencial.

Formula Caracterstica: = exp{(

1

1

}

Ro= valor de la resistencia a T=25C u otra ReferenciaTo= T de referencia en Kelvin B= T caracterstica del material (2000K-5000K)B=no es totalmente constante con el material

Si Aumenta la Temperatura

La Resistencia Disminuye

Clasificacin de Termistores

Segn el coeficiente de temperatura (TCR).

Positivo: se denomina PTCs (coeficiente de temperatura positivo)

Negativos: se denomina NTCs (coeficiente de temperatura negativo)

NTC: (Coeficiente de temperatura negativo), se caracteriza pordisminuir su resistencia cuando aumenta la temperatura, sonlos ms utilizados en la industria.

PTC: (Coeficiente de temperatura positivo), aquellos cuyaresistencia aumenta cuando la temperatura aumenta.

Coeficiente de Temperatura de la Resistencia (TCR) o sensibilidad Relativa:

==

=

^2

Indica la variacin relativa de la resistencia con la T, este TRC no es constante en un termistor

A T=35C y con B=4000K, resulta que =-4,5%/K

Comparacin con el sensor RTD:

Indica una sensibilidad 10 veces superior a la Del RTD PT100

Para los NTC, en un margen de temperaturas reducido (50 C) se tiene

dependencia de tipo exponencial: = 0

1

1

0 (1)

Donde:

0: Resistencia a temperatura de referencia, 0: Temperatura de referencia en kelvin,

: Temperatura caracterstica del material [oscila entre 2000 K a 5000 K]

Para hallar la sensibilidad relativa o coeficiente de temperatura se tiene lasiguiente relacin:

=

(2)

=

20

1

1

0 (3)

=

20

1

10

0

1

10

=

2(4)

36

Para los PTC, en un margen de temperaturas limitado se tiene la siguiente dependencia:

= 0 0 (5)

Donde: 0,0, representan los mismos parmetros que en los NTC.

Hallando el coeficiente de temperatura se obtiene:

= 0 0 (6)

=0

0

0 0

= (7)

37

38

GRAFICA DE COMPORTAMIENTO DE LOS TERMISTORES

Universidad Distrital Francisco Jose de Caldas- Instrumentacion y

Medidas

39

Rango de T Sensibilidad Exactitud LinealTiempo de

Respuesta

Costo del

sistemaVentajas Desventajas

Platino _200C a 500C 0,0375 //C 0,5C a 3C Excelente 2 a 5 seg Moderado

Niquel _100C a 260C 0,00618 //C 0,5C a 3C Excelente 3 a 5 seg Moderado

Cobre _100C a 260C 0,00427 //C 0,5C a 3C Excelente 4 a 5 seg Moderado

E _200C a 900C 68V/C 1,5 C Moderada 1 a 2 min Moderado

T _200C a 260C 10V/C 0,5 C Moderada 2 a 2 min Moderado

J _200C a 1200C 10V/C 1,5 C Moderada 3 a 2 min Moderado

K _40C a 1100C 10V/C 1,5 C Moderada 4 a 2 min Moderado

R 0C a 1600C 10V/C 1 C Moderada 5 a 2 min Medio

S 0C a 1600C 10V/C 1 C Moderada 6 a 2 min Medio

B 600C a 1600C 10V/C 1 C Moderada 7 a 2 min Moderado

N 0C a 2300C 10V/C Moderada 8 a 2 min Moderado

Sistema

Logaritmica,

pobre1 a 2 seg

Bajo a

moderado

Termopar

Amplio margen de

temperaturas, barato,

robusto

Escala no lineal, baja sensibilidad,

baja tensin de salida afectada por RFI

y EMI, compensacin unin fra

requerida

Lineal, amplio margen

de temperaturas

Baja sensibilidad, tiempo de

respuesta lento, sensible a

vibraciones, medida e 3 o 4 hilos, caro

Sonda de

Resistencia

Alta sensibilidad,

respuesta rapida,

pequeo tamao, barato

Escala no lineal, temperatura limitada

a -60C a 300CTermistor_40C a 260C 40mV/C

0,5C hasta

100C

Tabla 1. Comparacin entre tres sensores de temperatura. Creus, Instrumentacin Industrial

CUADRO COMPARATIVO

Termocupla tipo KCaractersticas:Rango de temperatura: 0 a 800 C.Dimetro del hilo: 6mm / 0,23 ".Aislamiento interno: Fibra de vidrio.Blindaje externo: Escudo de metal.Longitud total: 1M / 39 ".Tenedor Terminal Spacing: 3.5mm / 0.13 ".Diseado con dos terminales tenedor, sensor de hilo de 6 mm para una medicin precisa.

41

TERMOCUPLAS CON CABEZOTE

Sensores de temperatura

42


43

Termocuplas tipo bayoneta

Sensores de temperatura 45

Termocuplas con bulbo y cable


46

Termistor NTC de 100K modelo B2-100-3950-1.- Valor de resistencia: R (25 C) = 100 kohmios 1%

- Valor de B: B = 3.990 (calculado a partir de valor de la resistencia a 25 C y 50 C)

- Resistencia de aislamiento: 50M o ms por DC500V Megge (entre el vidrio y el alambre de plomo)

- Constante de tiempo trmica (?): ? = 10 a 17 s (en aire)

- Disipacin trmica constante (?): ? = 1.1 a 1.6 mW / C (con aire en calma)

- Rango de temperatura de funcionamiento: -50 a 260 C

- Termistor de 100 Kohm para medir la temperatura tanto en la cama caliente como en el extrusor.


47


Modelo NTC

Rango de resistencia 0~10K 1%

Rango de temperatura -40C~120C

Coeficiencia de temperatura 2%~5%

Material Cobre niquelado cilndrico

Dimetro/largo sensor 4mm/25mm

Longitud del cable 1 metro


50

RTD CON

CABEZOTE


51

CONFIGURACIN BSICA

- Triclamp

- Rosca doble elemento

- Rosca alta-temperatura 600 oc

- rosca alta temperatura 600 oc doble elemento

52

CLASES DE TERMORESISTENCIASCON CABEZOTE


53

TERMORESISTENCIA PT100 CON CABLE Y BULBO


54

1. Creus, Antonio, Instrumentacin Industrial. Pg. 266.

2. http://www.slideshare.net/blacksaturn/termocupla?from_search=1

3. NTC4494, http://tienda.icontec.org/brief/NTC4494.pdf

4. http://www.ehowenespanol.com/ventajas-desventajas-termopares-lista_89668/ Desventajas de las termocuplas.

5. http://materias.fi.uba.ar/7609/material/S0307MedicionTemperatura2.pdf Medicin en temperatura.

6. http://www.sapiensman.com/medicion_de_temperatura/termorresistencias.htm Termorresistencias.

BIBLIOGRAFA

sensores de temperatura final

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