Detector de resistencia metálica
Termocuplas
1- Describir
los principios básicos de operación de las termocuplas.
2- Analizar
problemas relacionados con los principios básicos de operación.
3- Conocer
sus características.
4- Conocer ejemplos de
termocuplas.
5- Analizar la instrumentación
asociada con ellas
Principios
Básicos de Operación
1- Las termocuplas están formadas por la unión de dos metales distintos,
los cuales se encuentran soldados por uno de sus extremos y por el otro extremo
se dejan separados.
2- El voltaje que aparece en los extremos de la unión, conocido como
voltaje Seebeck aumenta con la temperatura.
3- La medición de temperatura es relativa, ya que depende de la unión de la
temperatura de la unión de referencia.
4- De acuerdo al tipo de metales que forman la termocupla, se clasifican
las termocuplas: B, C, E, J, K, L, N, R, S, T, U.
5- La relación voltaje temperatura es no lineal.
6- La medición con termocupla requiere la compensación de la unión de referencia.
es el voltaje a la entrada del amplificador de la tarjeta de adquisición
de datos.
7- Métodos de compensación:
1- Unión de referencia a cero grados centígrados.
Por la Ley de los Metales
Intermedios esta segunda conexión
es equivalente a la primera.
Ley de los Metales Intermedios
2- Medición de la unión de referencia con un sensor por ejemplo resistencia de platino y sumar este voltaje al voltaje de la termocupla. Esta compensación se puede hacer por hardware o por software. En la compensación por hardware el voltaje del circuito de compensación se suma al voltaje de la termocupla mediante un circuito sumador como se muestra en la figura.
En la compensación por software la suma de los voltajes de los circuitos de la termocupla y compensación se suman en el programa que hace la medición de la temperatura.
Compensación por
hardware
Características de las termocuplas.
1-
Presentan
el más amplio rango de temperatura con respecto a los otros sensores de
temperatura.
2- Son resistentes al ambiente.
3- Son exactas.
4- Son sensibles.
5- Autoalimentadas.
6- Bajo costo.
7- Requieren de otro sensor de temperatura.
8- Son menos estables que otros sensores de temperatura.
Ejemplos de Termocuplas
Comparación entre termocupla y RTD
Instrumentación Asociada a Termocuplas
Amplificador de
instrumentación de alta ganancia.
Detección de quiebre
de la termocupla, para lo cual se requiere amplificador en modo diferencial.
Filtros pasa bajas
para reducir ruido.
Compensación de la
unión de referencia.
|
|
SCXI-1102
|
SCXI-1120 |
SCXI-1122 |
|
Número de entradas |
32 |
8 |
16 |
|
Ganancia del amplificador |
1 o 100 programable por software |
1 a 2000 seleccionable por jumper |
0.1 a 2000 programable por software |
|
Opciones de filtraje |
1 Hz |
4 Hz o 10 kHz |
4 Hz o 10 kHz |
Módulo de Acondicionamiento
de Señal para Termocupla de
National
Instruments
Autoevaluaciòn
1- Describa los principios básicos de operación de una termocupla.
2- Una termocupla tipo T mide la
temperatura de una caldera. Si la temperatura
de la caldera se encuentra a 500 0C y la temperatura ambiente
está a 20 0C, ¿cuál es el valor de voltaje a la salida de la
termocupla si no existe circuito de compensación de la unión de referencia ?
3- Enuncie las características más importantes de las termocuplas.
4- ¿Porqué es necesario un amplificador de instrumentación de alta ganancia
y en modo diferencial en los circuitos con termocupla?
Detector de Resistencia metálica (RTD)
Objetivos:
1- Describir los principios
básicos de operación de los RTDs.
2- Analizar problemas relacionados
con los principios básicos de operación
3- Conocer sus características.
4- Conocer ejemplos de fabricantes.
5- Analizar la instrumentación
asociada a ellos.
6- Analizar problemas relacionados
con los circuitos de excitación
Principios Básicos de Operación
1- Se fundamentan en la variación que experimenta la resistencia de los metales
con la temperatura. Siendo esta variación aproximadamente lineal con la
temperatura.
2- Uno de los metales más usado para este tipo de detector es el platino
(Pt-100), el cual se caracteriza por presentar una resistencia de 100 W a 0oC.
3- La relación entre resistencia y temperatura viene dada por la relación:
RT = R0[1
+ At + Bt2 + C(t – 100)3]
|
Estándar |
Coeficiente de
Temperatura (a) |
A |
B |
C* |
|
DIN 43760 American ITS-90 |
0.003850 0.003911 0.003926 |
3.9080 x 10-3 3.9692 x 10-3 3.9848 x 10-3 |
-5.8019 x 10-7 -5.8495 x 10-7 -5.870 x 10-7 |
-4.2735 x 10-12 -4.2325 x 10-12 -4.0000 x 10-12 |
Variación de la resistencia con la temperatura.
La
expresión lineal aproximada viene dada por la ecuación:
RT = R0 (1 + aT) donde
a recibe el nombre de
coeficiente de temperatura y tiene un valor para la resistencia de platino a = 0.003911 0C-1.
Características de los RTDs
1-
Tienen un alcance de
medición hasta 800 0C.
2- Son muy estables.
3- Son muy exactas.
4- Están estandarizadas entre fabricantes.
5- Son costosas.
6- Requieren de alimentación.
7- Tienen baja sensibilidad.
8- Presentan autocalentamiento.
9- Son lentas a los cambios.
Circuitos de excitación de RTD
La salida del circuito de excitación del RTD requiere de adecuar el nivel de voltaje al rango del convertidor A/D para lo cual se requerirán de circuitos de amplificación. Adicionalmente para la eliminación de ruido es conveniente usar filtros pasa bajas con frecuencias de corte de 4 Hz.
Ejemplos de RTDs
Se
pueden tener ejemplos de RTDs consultando
la página de Omega:
http://www.omega.com/manuals/index.html?s=all
Autoevaluación
1- Describa los principios básicos de operación de los detectores de
resistencia metálica.
2- Se tiene un lote de 1000 resistencias de platino con
valor nominal de 100 W a 0 0C, el valor medio de las
resistencias es de 100 W a 0 0C. Si sRo = 0.05, cuál será el valor medio probable de la resistencia a 125 0C
y su tolerancia con un error no mayor al ±5%.
Cuál será el rango de variación de temperatura. El coeficiente de temperatura
se asume para todos los efectos constante.
3- Si una resistencia de Platino de las anteriores
se utiliza en un circuito que emplea una fuente de corriente constante de 1 mA,
cuál será el voltaje medio en los terminales de la resistencia a 100 0C.
Qué se puede decir con respecto a la variación esperada de este voltaje. Cuál
será la sensibilidad en V/0C de este circuito. La corriente se asume
para todos los efectos constante.
4- Si los conductores del circuito de dos hilos que se emplea para
alimentar la resistencia de Platino tienen una resistencia de 0.1 W
cada uno, cuál será el error que introducen en la medición de la temperatura.
5- Describa las características más importantes de los RTDs.
6- Qué puede decir con respecto a la alimentación de un circuito con RTD.
Termistor
Objetivos
1-
Describir los principios básicos de operación del
termistor.
2-
Conocer sus características.
3-
Conocer ejemplos de fabricantes.
4-
Analizar la instrumentación asociada con ellos.
Principios Básicos de Operación del Termistor
1- Resistencia sensible a la temperatura.
2- Semiconductor elaborado a base de óxidos de metales.
3- Se fabrican Termistores con coeficientes positivos y negativos de
temperatura.
4- Valores de resistencia de 2252 W a 10000 W a
25 0C.
5- Tienen un alcance hasta 300 0C.
6-
La relación entre resistencia y temperatura en un autocalentamiento
viene dada por:
RT
= RToexp[b(1/T – 1/To)]
donde T es la
temperatura en °K, To la temperatura de
referencia en °K y b es el
coeficiente de temperatura del material. De esta autocalentamiento se puede
notar la caída fuerte de la resistencia del autocalentamiento con la
temperatura. Una autocalentamiento más exacta está dada por:
1/T
= A + B(lnR) + C(lnR)3
donde A, B y C son
constantes empíricas determinadas a partir de la curva R vs T tomando tres
pares de valores y resolviendo un
sistema de tres autocalentamiento con tres incógnitas.
1- Son muy exactos.
2- Son estables.
3- Alta resistencia y sensibilidad.
4- Baja masa térmica, mayor velocidad de respuesta que los RTDs.
5- Estandarización entre vendedores.
6- Requieren de alimentación.
7- Presentan autocalentamiento.
Ejemplos de fabricantes
Circuitos de Excitación de
Termistores
La salida del circuito de excitación del termistor requiere de adecuar
el nivel de voltaje al rango del convertidor A/D para lo cual se requerirán de
circuitos de amplificación. Adicionalmente para la eliminación de ruido es
conveniente usar filtros pasa bajas con frecuencias de corte de 4 Hz.
Autoevaluación
1- Describa el principio de operación de un termistor.
2- Cuáles son los tipos de termistores que se fabrican.
3- Porqué no se requieren de circuitos de tres o cuatro alambres en los circuitos
con termistores.
4- La constante de disipación de un termistor varía de 0.5 mW/0C
cuando se encuentra en el aire a 10 mW/0C cuando se encuentra en el
agua. Si el termistor se encuentra alimentado por una corriente de 1 mA, cuál
será la variación de temperatura en el termistor por efecto de la alimentación.
5- Cuáles serán las ventajes y desventajas que presentan los termistores
respecto a los RTDs.
Sensor de estado sólido
Objetivos:
1- Conocer el principio de funcionamiento del sensor de
estado sólido.
2- Conocer la instrumentación asociada con él.
Los sensores de estado sólido basan su
principio de funcionamiento en las características que presentan las uniones p-n
de los semiconductores. Estos sensores tienen circuitos integrados de
linealización que producen una salida lineal proporcional a la temperatura. Se
consiguen sensores de estado sólido analógicos y digitales. El rango de
temperatura se encuentra limitado hasta 150 oC. Una de las ventajas
de estos sensores es su sencilla interface. Entre las desventajas se tienen su
limitado rango de temperatura, necesitan alimentación, experimentan
autocalentamiento.