Medición de Temperatura con la implementación de un termistor

UNIVERSIDAD DEL QUINDIO, INGENIERÍA ELECTRÓNICA. INFORME DE LABORATORIO 3
ARTICULOS PRESENTADOS DURANTE EL SEGUNDO SEMESTRE DE 2010
1
Medición de Temperatura con la
implementación de un termistor NTC y un
LM335
Alexander Flórez Quintero, Jheison Alexander Mejía Z, Jeisson Valderruten López
[email protected] , [email protected] , [email protected]

Resumen— En el presente informe se plantea de forma
detallada el diseño e implementación de un sistema de medición
de temperatura usando dos sensores para dicha medida, el
primero un Termistor NTC, al cual se le realiza una
Linealización, se le acopla un puente de Wheatstone junto con
una etapa de amplificación debido a la señal débil, luego
mediante una interfaz de visualización se grafica dicho
experimento. El segundo es un LM335, mediante este se realiza
el mismo tipo de lectura, teniendo claro las características
eléctricas de dicho dispositivo, finalmente se realiza el mismo
procedimiento de adquisición para comparar ambos resultados.
Abstract – In the formless present there appears of detailed form
the design and implementation of a system of measurement of
temperature using two sensors for the above mentioned measure,
the first one a Thermistor NTC, to which a Linealización is
realized, mates Wheatstone's bridge together with a stage of
amplification due to the weak sign, then by means of an interface of
visualization graphical the above mentioned experiment. The
second one is a LM335, by means of this one the same type of
reading is realized, having clear the electrical characteristics of the
above mentioned device, finally the same procedure of acquisition
is realized to compare both results.
Palabras claves— Labview, LM-335, Puente de Wheastone,
Sensor, Sensores Resistivos, Termistor.
Keywords– Labview, LM-335, Wheastone
Sensor, Resistive Sensors, Thermistor.
I.
Bridge,
INTRODUCCIÓN
Los sistemas de medida contribuyen a la humanidad a
entender y conocer los cambios de las variables físicas del
entorno que los rodea, por eso existen dispositivos capaces de
medir dichas variaciones.
Con la constante actualización de la tecnología y su notable
mejora, también estos sistemas lo hacen, los cuales hoy en día
Manuscrito recibido el 25 de Abril de 2010.
A.F.Q. J.A.M. J.V Están con la Universidad del Quindío, Facultad de
Ingeniería, Programa de Ingeniería Electrónica, Cátedra de Instrumentación.
Avenida Bolívar Calle 12 Norte Armenia. Quindío. Colombia
son muy efectivos y gracias a ellos es posible controlar gran
variedad de dispositivos sin necesidad de supervisión humana.
La temperatura es una variable que es necesario medir, para
este informe se explica de forma detallada como un termistor
y un LM-335 muestran efectivamente la temperatura en un
sistema.
II. OBJETIVO GENERAL



Realizar la instrumentación e implementación para
un termistor NTC y un LM335 para censado de
temperatura.
Comprender la Linealización
para dichos
dispositivos.
Mediante un software, realizar una lectura constante
de ambos dispositivos y graficar de manera continua
ambos experimentos.
III. MARCO TEÓRICO
LABVIEW [1]
Software desarrollado para ser una herramienta grafica para
pruebas de control y diseño mediante la programación. Su
lenguaje de programación es leguaje G que simboliza lenguaje
gráfico.
Fue creado para funcionar sobre maquinas MAC y
actualmente está disponible para plataformas como Windows,
Unix, Mac, y Linux, su última versión es la 8.6 con soporte
para Windows 7.
Los programas desarrollados con Labview tenían como
función principal el control de instrumentos, pero hoy en día
se ha expandido ampliamente no solo al control de todo tipo
de electrónica, sino también a su programación embebida.
Uno de sus objetivos es reducir el tiempo de desarrollo de
aplicaciones de todo tipo y permitir la entrada de información
a profesionales de cualquier otro campo además de
combinarse con cualquier otro tipo de software y hardware
como tarjetas de adquisición de datos, PAC, Visión,
instrumentos entre otros.
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LM335 [2]
Es un sensor de temperatura que trabaja como un diodo zener,
cuyo voltaje de ruptura es directamente proporcional a la
temperatura que llegue a la superficie, por cada grado de
temperatura, el LM335 varia su voltaje en mV, presentando
una lectura de 0V a 0°K (-273°C) técnicamente.
Cuenta en su interior con cuatro amplificadores operacionales
y es fácil de ajustar mediante potenciómetros. Figura 1.
Figura 1.Sensor de Temperatura Lm335
PUENTE DE WHEASTONE [3] [4]
Instrumento eléctrico de medida, se utiliza para medir
resistencias desconocidas mediante el equilibrio de los brazos
de puente, estos están construidos por cuatro resistencias que
forman un circuito cerrado como se muestra en la Figura 2,
siendo una de ella la resistencia a la cual se le va a obtener el
valor.
Para hallar el valor de una resistencia eléctrica es necesario
colocar entre sus extremos una diferencia de potencial (V) y
medir la intensidad que pasa por ellas (I), pero la resistencia
de un conductor no se mantiene constante, variando por
ejemplo con la temperatura.
2
Un sensor está en contacto siempre con la variable física o
química que está midiendo, además tiene como propiedad
adaptar la señal que está midiendo para que la pueda
interpretar otro dispositivo.
SENSORES RESISTIVOS [6]
Son sensores basados en la variación de la resistencia eléctrica
de un dispositivo, estos dispositivos son probablemente de los
más abundantes ya que son muchas las magnitudes físicas que
afectan al valor de la resistencia eléctrica de un material.
TERMISTOR [7]
Semiconductor que varía su resistencia dependiendo de la
variación de la temperatura a la cual sea sometido, su nombre
proviene de Thermally Sensitive Resistor (Resistor sensible a
la temperatura). Entre sus usos más frecuentes se encuentran
proteger los dispositivos más delicados en un circuito
eléctrico.
Existen dos clases de termistores:
Los NTC, los cuales experimentan un decremento en su
resistencia cuando existe aumento en la temperatura y los
PTC, que aumentan su resistencia de acuerdo al aumento en la
temperatura.
AMPLIFICADORES DE INSTRUMENTACIÓN [8]
Dispositivo encargado de minimizar el error de medida
mediante la resta de sus dos entradas multiplicadas por un
factor.
Está diseñado para tener una alta
alto rechazo al modo común
amplificadores operacionales, se
componente discretos Figura 3,
encapsulado.
impedancia de entrada y un
(CMRR). Compuesto por
puede diseñar a partir de
o se puede encontrar ya
Figura 2.- Puente de Wheastone
El puente de Wheastone sirve para medir variables de
impedancia, capacitancias o inductancias, puede operar en
corriente continua o directa. Muchos instrumentos llevan el
puente de Wheastone incorporado como medidores de presión
(manómetros), circuitos resonantes (LCR), en tecnología de
vacío etc.
SENSOR [5]
Dispositivo capaz de transformar propiedades físicas o
químicas en variables eléctricas, estas propiedades físicas
pueden ser temperatura, presión, aceleración, velocidad, entre
otras.
Figura 3. Esquemático de un Amplificador de instrumentación
Es muy común verlo implementado en aparatos que trabajan
con señales muy débiles, como equipos médicos, el
electrocardiograma entre otros.
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3
Y así:
IV. PROCEDIMIENTO
Procedimiento
Para la realización de la práctica es necesario un termistor y un
LM-335. Para la el acople de un termistor lo primero es
calcular la resistencia ante distintas temperaturas como se
observa en la Tabla 1.
(45.8K)(75.3K)  (29.8K)   2 * (75.3K) * (29.8K)
(75.3K)  (29.8K)  2 * (45.8K)
R  24.13K
R
El montaje realizado se observa en la Figura 5.
Tabla 1. Variación de Temperatura del termistor
Dicha tabla es observada en la Figura 4. Donde se nota que la
resistencia es no lineal. Y que el termistor es un NTC
Figura 5. Resistencia del Termistor en paralelo para linealizar.
Y se obtiene la Tabla 2.
Tabla 2. Resistencia en paralelo con la resistencia del termistor
Figura 4. Comportamiento del Termistor
Posteriormente se linealiza el termistor entre 30° y 50° así:
T1  30  RT 1  75.3K
T2  40  RT 2  45.8K
T3  50  RT 3  29.8K
Y se aplica la ecuación 1:
R R  RT 3   2 * RT 1 * RT 3
R  T 2 T1
RT 1  RT 3  2 * RT 2
(1)
En la Figura 6. Se tiene la linealización del termistor pero se
notan muchos errores de apreciación, pero aun así se aproxima
a la forma correcta de linealización, para corroborar esto se
crea un programa 1 que recibe como parámetros de entrada los
datos de la Tabla 2. Y calcula la pendiente entre el primer y
último punto para comparar la grafica de linealización del
termistor con los datos linealizado realmente.
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Programa 1. Datos de la linealización
clear all
close all
clc
%Se limpia el worspace
%Cierra las ventanas emergentes
%Limpia la ventana de comandos
A una temperatura de 30° y un
4
Vin  5V , el montaje se
observa en la Figura 7.
[Filename Path] = uigetfile({'*.txt;*.dat'},'Abrir Datos');
%Se crea mediante los parámetros la opción abrir para
%buscar el archivo
ruta = strcat(Path,Filename);
%Se guarda en ruta direccion del archivo
a = load(ruta);
%Se guarda en a los datos
[m n]=size(a);
RA1
RA2
22k
22k
y = a(1:m,1); %Datos de salida (Resistencia)
x = a(1:m,2); %Datos de entrada (Temperatura)
y1 = a(1,1);
x1 = a(1,2);
y2 = a(m,1);
x2 = a(m,2);
%Dato de salida inicial
%Dato de entrada inicial
%Dato de salida final
%Dato de entrada final
mp=(y2-y1)/(x2-x1); %Pendiente de los datos
b=(-mp*x1)+y1;
%Punto de corte con el eje y
for i=1:m
sal(i)=(mp*x(i))+b;
%Salida de los datos con la ecuación
end
plot(x,sal)
hold on
plot(x,y,'red')
%Grafica la recta con la ecuación
%Se sobrepone la grafica
%Grafica la recta de los datos reales
A
TERMISTOR
B
RP
RE
19.9k
19.9k
Figura 7. Puente de Wheatstone
Y en la Tabla 3. Se observa el cambio de voltaje en la salida
del puente de Wheatstone y el cambio de temperatura del
mismo. Y en la Figura 8. Se observa la grafica de dichos datos
Tabla 3. Puente de Wheatstone
Figura 6. Linealización del termistor
Ahora se procede a diseñar el Puente de Wheatstone, se tiene
22K tanto R1 como R2. Y se conoce el paralelo en
19.9K . Se encuentra una resistencia R3 tal que V sea
casi cero, así:
R3  19.9K
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Despejando y reemplazando los valores para encontrar Rq se
tiene:
Rq 
2 * R1
  Vout  

 1
  V2  V1  


 R3 


 


R
 2


2 * (1K)

 780
  (5V )  

 1
  1V  0V  


  (10 K)  
  (5.1K)  
 
 
4
U1:A
A
Figura 8. Datos del Puente de Wheatstone
3
1
2
11
Ahora, se diseña un amplificador de instrumentación, el cual
se observa en la Figura 9, para el diseño de dicho amplificador
se tiene:
R21
RF1
10k
10k
R11
LM324
11
10k
U1:C
OUT
9
8
1
2
10
RG
R1 p  22 K
CONN-H2
4
10k
LM324
R2 p  22 K
11
R3 p  19.9 K
R12
U1:B
10k
6
7
B
R22
RF2
10k
10k
4
R4 p  19.9 K
5
LM324
Figura 9. Amplificador de Instrumentación
Además para la ganancia de los amplificadores:
R1  1K
Y en la Figura 10 se observa el diseño, y en la Figura 11 el
montaje total del sistema, con el amplificador de
instrumentación, el puente de Wheatstone y la resistencia en
paralelo con la resistencia del termistor. Que dan nuevos datos
observados en la Tabla 4.
R3  10 K
Y se tiene:
VCC (AMPLI)
CONN-H2
CONN-SIL3
1
2
V1  0V  T1  23C
VCC (PUENTE)
1
2
3
R2  5.1K
V2  1V  T2  70C
4
U1:A
3
1
RA2
10k
10k
2
11
Vout  5V
RA1
LM324
R21
RF1
10k
10k
R11
10k
OUT
CONN-H2
1
2
11
Y se conoce la Ecuación 2. Para los amplificadores
U1:C
RG
9
10k
8
LM324
R12
10k
TERMISTOR
10k
RP
RE
10k
10k
11
(2)
U1:B
6
7
5
R22
RF2
10k
10k
4
Vout
 2 * R1  R3
*
 V2  V1  * 1 

 R
R
q
2


4
10
LM324
Figura 10. Diseño del Sistema
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Por último para el LM335 realizamos la siguiente
caracterización, dado que la hoja de datos para dicho
dispositivo define que realiza un cambio de 10mV por cada
grado centígrado que varié, entonces se realiza el montaje
recomendado por su manual para estos tipos de aplicación,
este diagrama esquemático se ilustra en la figura 13.
Figura 11. Conexión Completa del Sistema simulado en Proteus
Tabla 4. Salida del Amplificador
Figura 13. Recomendación de montaje para el LM335
En las figuras siguientes se ilustra una lectura temporal para la
respectiva caracterización.
Y en la Figura 12 se observa la grafica de los datos de salida
del amplificador de instrumentación. Que al igual que se
observan en la grafica tienen ganancia ya que los datos de
salida de mV pasan a V.
Figura 13. Lectura de la temperatura ambiente, valor inicial
Teniendo en cuenta que se recomienda para el uso del LM335
que al resistor variable se configure de tal forma que en la
salida se obtenga un voltaje de 2.98v a temperatura de 25°c,
por tanto como ya se conocen específicamente la
caracterización de este dispositivo, se procede a la
implementación.
En la tabla 5 se almacena los resultados para dicho dispositivo,
una vas realizada las prácticas, se procede al desarrollo de la
adquisición de datos y el entorno grafico para comparar los
resultado.
Figura 12. Salida del Amplificador de Instrumentación
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Tabla 5. Salida del LM335
Figura 15. Diagrama funcional en Labview.
Figura 16. Entorno grafico en Labview
En las figuras 14, 15 y 16 se observa el comportamiento
interno y externo del software.
V. CONCLUSIONES
 La sensibilidad del puente de Wheatstone depende de los
elementos que lo componen.
 La correcta calibración del puente de Wheatstone, entrega
mejores medidas en la salida del mismo.
 Es de vital importancia o muy recomendable realizar este
montaje en circuito impreso, ya que disminuye notablemente
el ruido, dado que el plano de masas que se utilizan en los
impresos eliminan las corrientes parasitas.
 Gracias a él software Labview es posible ver la variación
de temperatura de los sensores de forma más clara.
Figura 14. Montaje completo del sistema.
 Con la tarjeta de adquisición de datos se facilita mucho
este tipo de implementaciones para la instrumentación, debido
al efecto de poder comunicar la señal de salida de los sensores
de temperatura con el computador para ver su
comportamiento.
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 Un gran ventaja de la implementación ó utilización de un
LM335, es la facilidad eléctrica con la que opera este
dispositivo, porque solo requiere de una alimentación fija sin
polaridad dual, lográndose acoplar con circuitos digitales TTL,
funcionando perfectamente.
 Con la implementación de un termistor NTC, se presentan
uno factores de consideración, debido al efecto de tener que
utilizar una alimentación dual para el amplificar, pero también
presenta un gran ventaja, ya que su comportamiento es mucho
mas lineal con una buena caracterización, a diferencia del
LM335, por que este tiene internamente todo este tipo de
funciones, limitando un poco un buena caracterización.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] Wikimedia Foundation, Inc. LabView [Página de internet].
Disponible: http://es.wikipedia.org/wiki/LabVIEW
[2]Sensor LM335 [Página de internet].
Disponible: http://html.rincondelvago.com/sensor-de-temperatura.html
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Disponible: http://es.wikipedia.org/wiki/Puente_de_Wheatstone
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Wheatstone
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Disponible:http://fisica.udea.edu.co/~labgicm/2009_electronica/2009_Puente_de_Wheaststone.pdf
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Disponible: http://es.wikipedia.org/wiki/Sensor
[6]Sensores
Resistivos
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Disponible:http://www.investigacion.frc.utn.edu.ar/sensores/Tutorial/TECNO
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[7] Wikimedia Foundation, Inc.Termistor [Página de internet].
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[8] Wikimedia Foundation, Inc. Amplificador de Instrumentación [Página de
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Disponible:http://es.wikipedia.org/wiki/Amplificador_de_instrumentaci%C3
%B3n
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