Sensores de Temperatura

SENSORES DE TEMPERATURA
(Industriales)
Alumnos:
Alejandro Arenas
Alejandro Dávila
Profesor:
Msc. Orlando Philco A.
Qué son los sensores?
Un sensor es un dispositivo diseñado para recibir información de una magnitud del
exterior y transformarla en otra magnitud, normalmente eléctrica, que seamos
capaces de cuantificar y/o manipular. Realizan tres fases:
 Cualquier fenómeno físico al ser medido y ser captado por un sensor, debe
mostrar en su salida una señal eléctrica dependiente del valor de la variable física.
 La señal eléctrica es modificada por un sistema de acondicionamiento de señal,
cuya salida es un voltaje.
 El sensor dispone de una circuitería que transforma y/o amplifica la tensión de
salida, la cuál pasa a un conversor A/D, conectado a un PC. El convertidor A/D
transforma la señal de tensión continúa en una señal discreta.
Tipos de Sensores:
Principios de
Funcionamiento
Activos
Pasivos
Análogica
Tipo de señal
de Salida
Digital
Temporales
CLASIFICACIÓN
TIPOS
Rango de
valores de
salida
Nivel de
Integración
ON/OFF
De Medición
Discretos/Integra
dos
Inteligentes
Tipo de
Variable
medida
Temperatura,
Mecánico, Óptico,
Eléctrico
Sensor de Temperatura (térmico)
Los sensores térmicos se utilizan para medir una magnitud externa (calor/frio) para así
asegurar que un proceso se encuentre bien y dentro de un cierto rango ya establecido.
Hay dos variedades principales:
- Sensores de contacto (termopares/termistores)
- Sensores sin contacto (miden la radiación térmica emitida/mide la temperatura a
distancia)
Por eso decimos que son dispositivos que transforman los cambios de temperatura
(calor/frío) en cambios dados en señales eléctricas que son procesados por algún equipo
eléctrico o electrónico. Existen varios tipos de sensores de temperatura, entre ellos
están:
-
RTD (Pt100/Pt1000)
Termopares/Termocuplas
Termistores
Infrarrojo
Características
Temperatura
de
los
sensores
de
o Rango de Medida: Seria el valor (máx./min.) establecido de la magnitud requerida, en la que el
dispositivo debería operar.
o Precisión: Es una cualidad que se refleja con el error de medida máximo esperado.
o OFFSET o Desviación de Cero: Es el valor de la variable de salida, cuando la variable de entrada
es nula. Pero si el rango de medida no llega a valores nulos de la variable de entrada,
habitualmente se establece otro punto de referencia para definir el offset.
o Sensibilidad del Sensor: Se debe a la relación entre la variación de la (magnitud de salida) y la
variación de la (magnitud de entrada).
o Resolución: Es la mínima variación de la magnitud de entrada que se puede apreciarse a la
salida.
o Rapidez de Respuesta: Puede ser en un tiempo fijo, o depender de cuánto varíe la magnitud a
medir. Normalmente depende de la capacidad del sistema.
o Derivas: son otras magnitudes, aparte de la medida como magnitud de entrada, que influyen
en la variable de salida. Por ejemplo, pueden ser condiciones ambientales, como la humedad, la
temperatura u otras como el envejecimiento (oxidación, desgaste, etc.) del sensor.
o Repetitividad: error esperado al repetir varias veces la misma medida.
Tipos de Sensores de Temperatura
o RTD:
Un RTD es un detector de temperatura resistivo, esto quiere decir que esta basado en la variación de
la resistencia de un conductor con la temperatura. Esta compuesto por una aleación de metales como
el platino, cobre, níquel y molibdeno.
Su funcionamiento es que al calentarse el metal habrá una mayor agitación térmica, causando la
dispersión de más electrones y reduciéndose su velocidad media, aumentando así la resistencia. Esto
quiere decir que a mayor temperatura, mayor agitación, entonces mayor resistencia.
o Ro: Es la resistencia de referencia (INICIAL).
o ∆ T: Es la variación de la temperatura.
o α: Es el coeficiente de temperatura del conductor.
Los dispositivos RTD son bobinados, permiten la contracción y dilatación del material. Los dos tipos
que vamos a ver son Pt-100 y Pt-1000.
1. RTD (Pt-100):
Un Pt-100 es un sensor de temperatura, que consiste en un alambre de platino que
generalmente a (0 °C tiene 100 ohms) y que al aumentar la temperatura va aumentando su
resistencia eléctrica. En estos dispositivos el incremento de la resistencia no es lineal, pero si
dan un gran rango de temperaturas.
Características:
-
-
-
2 Hilos
3 Hilos
Entregan mediciones con una décima de
grado de precisión.
No se descompone gradualmente, sino
se abre la varilla, lo cual es mas fácil
detectar la falla de funcionamiento.
Existen 3 modos de conexión (2hilos,
3hilos, 4hilos) y cada uno requiere un
instrumento de lectura distinto.
4 Hilos
2. RTD (Pt-1000):
Un Pt-1000 es un sensor de temperatura, que consiste en un alambre de platino que
generalmente a (0 °C tiene 1000 ohms) y que al aumentar la temperatura va aumentando su
resistencia eléctrica. En estos dispositivos el incremento de la resistencia no es lineal, pero si
dan un gran rango de temperaturas.
Características:
Varía 385 Ohm cada 100ºC.
-
-
-
2 Hilos
3 Hilos
La sensibilidad de precisión es baja,
obligando a montar circuitos electrónicos
para medir la temperatura.
No se descompone gradualmente, sino se
abre la varilla, lo cual es fácil detectar la
falla.
Existen 3 modos de conexión (2hilos,
3hilos, 4hilos) y cada uno requiere un
instrumento de lectura distinto.
4 Hilos
Tipos de Sensores de Temperatura
o Termopares / Termocuplas:
Las termocuplas/termopares son sensores de temperatura eléctricos utilizados en la zona
industrial. Para hacer funcionarla, se debe hacer con dos alambres de distinto material
unidos en un extremo, entonces al aplicar temperatura en la unión de los metales se
genera un voltaje muy pequeño (miliVolts) el cual va aumentando a la par con la
temperatura.
- Son encapsulados, para protegerlos
de las condiciones extremas.
- Dependiendo de la distancia, se va
dando una pequeña señal eléctrica
de estos transductores.
- Deben
utilizarse
cables
compensados para que pueda
transportar esta señal sin que la
modifique.
o Tipos de (Termopares / Termocuplas):
– Tipo K: (Cromo/Aluminio) tiene una amplia variedad de aplicaciones, con un rango de
temperatura de (-200 ºC a +1.200 ºC) y una sensibilidad 41µV/°C aprox.
– Tipo E: (Cromo/Constantán) No son magnéticos, son ideales para el uso en bajas
temperaturas (Frío), y una sensibilidad de 68 µV/°C aprox.
– Tipo J: (Hierro/Constantán) Tiene un rango limitado, y tienen un rango de temperatura de
(-40ºC a +750ºC).
– Tipo N: (Nicrosil/Nisil) Es adecuado para mediciones de alta temperatura, gracias a su
estabilidad y resistencia a la oxidación de altas temperaturas, y tiene una baja sensibilidad
10 µV/°C aprox.
– Tipo B: (Platino/Rodio) Son adecuados para altas temperaturas superiores a 1.800 ºC.
– Tipo R: (Platino/Rodio) Son adecuados para altas temperaturas de hasta 1.600 ºC. Aunque
tiene una baja sensibilidad 10 µV/°C aprox.
– Tipo S: (Hierro/Constantán) Ideal para de altas temperaturas hasta los 1.600 ºC, pero tiene
una baja sensibilidad 10 µV/°C. Tiene una elevada estabilidad, y existen dos tipos: (Tipo S –
Tipo T – Tipo B – Tipo R – Tipo S).
Tipos de Sensores de Temperatura
o Termistores:
Los termistores son sensores de temperatura, los cuales su funcionamiento se basa en la
variación de la resistividad que presenta un semiconductor con la temperatura. Existen dos
tipos de termistor:
- NTC (Negative Temperature Coefficient)
- PTC (Positive Temperature Coefficient)
Estos dispositivos son fabricados a partir de los óxidos de metálicos (manganeso, cobalto,
cobre y níquel), ósea un semiconductor que deja pasar parcialmente la corriente. El
término proviene de (Thermally Sensitive Resistor).
Características:
- Los termistores sufren de auto
calentamiento, por lo que hay que ser
cuidadosos en la tensión y corriente que
hacemos circular por el sensor para
evitar falsos aumentos de temperatura.
- Tienen amplio rango de medición, y bajo
costo en el mercado.
- No son lineales, lo que dificulta la
obtención de datos y complicación al
calibrar.
1. PTC:
Los PTC son resistencias de coeficiente de temperatura positiva, constituidas por un cuerpo
semiconductor, cuyo coeficiente de temperatura es elevado, quiere decir que su
conductividad crece muy rápidamente con la temperatura.
Características:
- Las temperaturas que oscilan
entre 60° C a 180° C.
- Utilizan fusibles de estado
sólido de protección contra el
exceso de corriente.
- Varia la corriente de acuerdo a
la temperatura, ya que se
produce mayor resistencia, y
varios niveles de tensión
continua superior a 600V.
- Normalmente usados como
sensores de nivel de líquidos.
- Entregan mediciones con una
décima de grado de precisión.
2. NTC:
Los NTC son resistencias de coeficiente de temperatura negativo, constituidas por un cuerpo
semiconductor, cuyo coeficiente de temperatura es elevado, quiere decir que su
conductividad crece muy rápidamente con la temperatura.
En su fabricación se emplean óxidos semiconductores (Níquel, Zinc, Cobalto, etc..). Por esta
razón la relación entre la resistencia y la temperatura no es lineal sino exponencial. Dicha
relación cumple con la fórmula siguiente:
El coeficiente de temperatura es negativo y elevado.
Sistema de Medición con Sensores de
Temperatura
Conexiones de los Sensores de Temperatura
RTD
Termopares/Termocuplas