UNIVERSIDAD TÉCNICA DEL NORTE
FACULTAD DE INGENIERÍA EN CIENCIAS APLICADAS
INGENIERÍA EN MECATRÓNICA
INSTRUMENTACIÓN
TEMA: SENSORES DE TEMPARATURA INTEGRANTE: Miguel Carapaz
Tema: Sensores de Temperatura
Objetivos: General:
Comprender Comprender el funcionamiento funcionamiento de los diferentes sensores de temperatura temperatura a través de la experimentación; experimentación; con el propósito de aplicar al campo de la ingeniería.
Específicos:
Interpretar las gráficas V – R que cada uno de los sensores presenta.
Diferenciar cual de los elementos utilizados como sensores de temperatura brinda mayor precisión.
Marco Teórico: Introducción Probablemente sea la temperatura el parámetro físico más común que se mide en una aplicación electrónica, incluso en muchos casos en que el parámetro de interés no es la temperatura, ésta se ha de medir para incluir indirectamente su efecto en la medida deseada. La diversidad de sus aplicaciones ha condicionado igualmente una gran proliferación de dispositivos sensores y transductores, desde la sencilla unión bimetálica de los termostatos, hasta los dispositivos semiconductores más complejos.
Tipos de Sensores de Temperatura ➢
Termopares: Los termopares utilizan la tensión generada en la unión de dos metales en contacto térmico, debido a sus distintos comportamientos eléctricos.
➢
Resistivos: Lo constitu constituyen yen las RTD (Resistan (Resistance ce Temperat Temperature ure Detector) Detector) o PT100 basadas en la dependencia dependencia de la resistividad de un condu conducto ctorr con con la tempe temperat ratur ura, a, están están carac caracter teriz izada adas s por por un coeficiente de resistividad positivo PTC (Positive Termal Coefficient). También También lo son las NTC (Negative Termal Coefficient), que se llaman termistores y están caracterizadas por un coeficiente de temperatura negativo.
➢
Semiconductores: Se basan en la variación de la conducción de una unión p-n polarizada directamente.
➢
Digitales: en esta clasificación se encuentra el integrado LM35. Es un sensor de temperatura que únicamente tiene tres terminales, una que corresponde a la de alimentación al voltaje positivo, otra terminal que se conecta a GND, y la tercera es la que entrega un valor de voltaje en función a la magnitud de temperatura a la que está sometido. Este sensor de temperatura tiene la capacidad de medir temperaturas dentro de un rango de – 55°C a +150 °C que en voltajes corresponde a –55mV a +1500mV. La ventaja, al emplear este integrado, radica en el hecho de que el nivel de voltaje que entrega de acuerdo a la temperatura que mide mide,, ya se encu encuen entr tra a cali calibr brad ada a en ºC, ºC, adem además ás de que que cada cada incremento de 10mV equivale a 1ºC.
Circuitos Implementados: Se realizan cuatro diferentes circuitos, de acuerdo a los sensores de temperatura que se están analizando.
PTC (Coeficiente de Temperatura Positivo ) NTC (Coeficiente de Temperatura Negativo ) Diodo (Elemento de Silicio 1N4007 ) LM 35 (Sensor de Temperatura digital ) 5. Multímetro 1. 2. 3. 4.
Procedimiento
a) Para los sensores de temperatura resistivos (NTC, PTC) como para el elemento semiconductor, el dispositivo de variación de temperat temperatura ura fue directam directamente ente expuesto expuesto hacia hacia cada cada uno de los sensores. b) El sensor digital (LM 35), detecta el cambio de temperatura por la entrada o Pin 1. c) Determin Determinar ar los diferent diferentes es valores valores que present presentan an los sensores sensores al cambio de temperatura. Los elementos PTC y NTC relacionan el aumento y disminución de la variable resistiva respectivamente. En cambi cambio o el semico semicond nduc uctor tor y el sensor sensor digita digitall demue demuestr stran an su variación de temperatura en la variable física de voltaje.
Tabla de Datos NTC 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0
TEMPERATURA (°C) 24 25 29 33 35 38 42 44 45
RESISTENCIA (Ω) 19,2 25 30 35 40 45 50 55 60
46
65
DIODO 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0
PTC
TEMPERATURA (°C) 0 0,55 1,79 1,74 1,3 1,17 0,88 0,48 0,44
VOLTAJE (mV) 25 30 42 51 80 88 95 98 100
0,38
107
1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0
TEMPERATURA (°C) 23 30 45 50 55 70 77 82 103
RESISTENCIA (MΩ) 13,12 10 8 7 6 4 3 2 1
114
0,5
LM 35 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0
TEMPERATURA (°C) 26 30 42 56 72 76 80 86 93
VOLTAJE (mV) 0,282 0,288 0,303 0,323 0,356 0,37 0,38 0,41 0,46
99
0,5
d) Las Las tabla tablas s obten obtenida idas s de cada cada
uno de los sensores sensores deben deben ser graficadas, graficadas, para asegurar asegurar que el circuito circuito de acondic acondiciona ionamien miento to que se realice realice cuente cuente con datos datos lineales, caso contrario se procede obtener datos que gráficamente demuestren una recta. NOTA: Únicamente se adjunta una gráfica por razones de demostración, demostración, ya que todas necesitan ser linealizadas.
Gráficas T – V
Circuito de Acondicionamiento: Acondicionamiento: a) Cada una de las tablas de datos obtenidas están linealizadas de acuerdo a lo siguiente: –
El alcance de todos los sensores con respecto a la temperat temperatura ura se lineali linealizará zará desde un valor valor mínimo mínimo de 4 °C hasta un máximo de 40 °C.
–
La temperatura se relacionará respectivamente con valores de volta voltaje je ampli amplific ficado ados s mínimo mínimos s de OV y de 10V 10V como como voltaje máximo.
–
La amplificación de voltajes en el rango de mili voltios estará deter determi minad nada a por por el uso de ampl amplifi ificad cador ores es opera operaci cion onale ales s inversores como también del uso del amplificador de instrumentación (Tl 084).
– La visualiza visualizació ción n de los los difere diferentes ntes camb cambios ios de de temper temperatur atura a estará implementado en el encendido de 10 Leds. El integrado encargado de la comparación de voltajes será el LM3914.
Laboratorio
Linealización
LM 35 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0
TEMPERATURA (°C) 26 30 42 56 72 76 80 86 93
VOLTAJE (mV) 0,282 0,288 0,303 0,323 0,356 0,37 0,38 0,41 0,46
TEMPERATU RA 4 8 12 16 20 24 28 32 36
VOLTAJE (mV) 0,2 0,24 0,28 0,3 0,34 0,38 0,4 0,44 0,48
99
0,5
40
0,5
Materiales • • • • • • • • •
LM 35 Lm 3914 LM 324 R1 = 2,2 kΩ R2 = 10 kΩ R3 = 22 kΩ Pot = 10kΩ Diodo Led 10 Fuente 10V
Conclusiones: ➢
La caracter característic ística a de resistenc resistencia/t ia/tempe emperatu ratura ra de los sensores sensores de temperatura de silicio es casi lineal, pero en algunas aplicaciones es neces necesari ario o mejor mejorar ar esta esta linea linealiz lizaci ación ón,, como como en sistem sistemas as de control que requieren una alta exactitud.
➢
Para obtener el voltaje necesario de amplificación debemos de ser cuidadosos con el valor de resistencias que vamos a utilizar, ya que que de esta estas s depe depend nde e que que el circ circui uito to real realic ice e un dese desemp mpeñ eño o correcto.
➢
El efec efecto to de Coef Coefic icie ient nte e Nega Negati tivo vo con con la Temp Temper erat atur ura a pued puede e resultar de un cambio externo de la temperatura ambiente o un calentamiento interno debido al efecto Joule de una corriente que
fluy fluye e a trav través és del del term termis isto tor. r. La curv curva a del del term termis isto torr se pued puede e linealizar con una resistencia montada en paralelo con la NTC. Los termistores se pueden conectar directamente a la entrada de un circuito de acondicionamiento. ➢
La corriente de conducción de una unión p-n polarizada directamente, responde exponencialmente con la tensión de forma directa, e inversa con la temperatura.
➢
La familia de sensores de temperatura de silicio de Infineon y Philips KTY son de alta exactitud, lineales y con una excelente esta estabi bili lida dad d a lo larg largo o del del tiem tiempo po,, son son una una alte altern rnat ativ iva a a los los sensores más convencionales basados en la tecnología NTC o PTC.
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Los sensores de temperatura de silicio muestran una característica casi lineal comparada con la característica exponencial de las NTC. Esto significa que tienen un coeficiente de temperatura qué es casi constante en todo el rango de temperatura.
Recomendaciones:
Tener cuidado con las conexiones de las fuentes de voltaje.
Antes de realizar las conexiones del circuito, revisar cada una de las características principales de los elementos.
Tener cuidado en las comprobaciones de los circuitos ya que se trabaja con elementos de potencia, que pueden afectar el bienestar de los investigadores.
Bibliografía: ✔ ✔
Reitz Reitz,, J.R. J.R. et al., al., Funda Fundamen mento tos s de la Teor Teoría ía Electr Electrom omag agnét nética ica,, Addison-Wesley, 4a edición., 1996 Instrumentación Industrial Dr. Ing. Industrial Antonio Creus Solé
