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Sensores de Temperatura

Bimetálicos

Termoresistencias – RTD

Termistores

Termopares

Métodos sin contacto

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Escala de temperatura

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Escala Internacional de Temperaturas ITS-90

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Termómetros bimétalicosLos sólidos

tienden

a expandirse

cuando

se calientan

L = Lo(1 + α ∆T)

L = Length of material after heatingLo = Original length of material

α

= Coefficient of linear expansion∆T = Change in temperature

Valores

de α

para metales comunes:•

Aluminum

= 25 ×

10−6 per

degree

C

•

Copper = 16.6 ×

10−6 per degree C•

Iron = 12 ×

10−6 per degree C

•

Tin = 20 ×

10−6 per degree C•

Titanium = 8.5 ×

10−6 per degree C

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Termómetros bimétalicosConstan de dos láminas metálicas con diferente

coeficiente de dilatación, unidassólidamente por

sus extremos.Cuando

por efecto de la Tª

se dilatan, se deforman

produciéndose un

desplazamientomecánico cuya

fuerza se

emplea

para mover una aguja indicadora

o activar unmecanismo de control.HelicoidalesRango: 0 a 500º

CPrecisión: 1%

Muy usados como termostatos.

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Termómetros bimétalicos

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TermoresistenciasRTD - termómetros de resistencia metálica

Se basan en que la resistencia eléctrica de metales puros aumenta con la Tª. En algunos de forma casi lineal. Este principio proporciona una forma muy precisa de medir.

Se necesita un material:– resistente a la corrosión y ambientes hostiles– comportamiento lineal– alta sensibilidad– fáciles de fabricar– estables

Rango: -200º C a +500º CPrecisión: +/- 0.1°C.

Sensores patrón legan hasta +/- 0.0001°CSensibilidad 0.385 ohmios/º C

Para medir la variación de resistencia en el detector se usan circuitos basados en el puente de Wheatstone

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Relación R-T

(Aproximación lineal)

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RTD

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Encapsulado

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a) Montaje b) Componentes

Montaje y conexión al proceso

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Señal de salida

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Rangos

Platino: estables, lineales, baja reactividadWolframio: Alta temperatura, baja exactitud.Cobre: Baja T, poca precisión.Balco (70% Ni, 30% Fe): Bajo costo

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Clasificación

Se clasifican de acuerdo a la resistencia a 0°C. La más común es la Pt 100

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TermistorEl termistor es un tipo de transductor pasivo, sensible a la temperatura y que experimenta un gran cambio en la resistencia eléctrica cuando está sujeto a pequeños cambios de temperatura.El término termistor proviene del inglés THERMally sensitive resISTOR, es decir, resistencia térmicamente sensible.Se construyen con distintas aleaciones de materiales semiconductores, como por ejemplo óxidos de níquel, manganeso, zinc y cobalto.

PTC: Coeficiente de temperatura positivo. Sufren un cambio de resistencia brusco al alcanzar cierta temperatura (unos 100ºC) pasando de valores de centenares de ohm. a decenas de Megaohm.

NTC: Coeficiente de temperatura negativo. Altamente sensibles a cambios de temperatura (valores de alfa entre -2%/K y -6%/K). Dentro de este grupo se encuentra la mayoría de termistores.

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Rango de temperaturas y valores de resistencia

Se emplean fundamentalmente entre los -50ºC y los 150ºC no obstante las unidades encapsuladas pueden alcanzar los 300ºC.

En la mayoría de aplicaciones el valor de resistencia a 25ºC está entre 100 ohm. y 100 kohm. Aunque se pueden producir con resistencias tan bajas como 10ohm. o tan altas como 40Mohm.

Tamaño reducido:Las reducidas dimensiones de los termistores hacen que la respuesta a los cambios de temperatura sean muy rápidas.

Sensibilidad a los cambios de temperatura:Los termistores tienen mayor sensibilidad a los cambios de temperatura que otros transductores.

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Termistores

Son dispositivos semiconductores, de alta sensibilidad, pero muy

alineales.

NTC (Negative

Temperature

Coefficient) o PTC (Positive Temperature

Coefficient)

Alta sensibilidad 100 ohmios/ grado (la PT100: 0.385

ohmios por grado)

No lineal R( T) = R( T0) exp{-

B( 1/ T-

1/ T0)}.

Se deben linealizar

en

torno al punto de trabajo, por lo tanto su rango de Tª

espequeño. Útil para Tª

ambiente.

Muy baratos y pequeños (=> menor cte. de tiempo)

Menos precisión (a veces no interesa más)

Problemas de estabilidad: hay que “envejecerlos”

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NTC

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PTC

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Aplicaciones y configuraciones

En el circuito del liquido refrigerante, para poder determinar la temperatura del motor a partir de la temperatura del liquido refrigerante.

en el canal de admisión para medir la temperatura del aire aspirado.

en el aceite del motor para medir la temperatura del aceite.

en el retorno del combustible para medir la temperatura del combustible.

•Los termistores se presentan en múltiples configuraciones, las más empleadas son los de perla, disco y chip.

•Los termistores tipo perla debido a su pequeño tamaño permiten una respuesta rápida ante los cambios de temperatura.

•Los termistores de disco y chip tienen una respuesta de disipación mayor.

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Efectos termoeléctricosLos dispositivos termoeléctricos están sometidos, principalmente, a cuatro efectos físicos: El efecto Seebeck, el efecto Peltier, el efecto Thomson y el efecto Joule.

•El efecto Seebeck es la f.e.m. generada cuando dos lados de un par termoeléctrico se mantienen a distinta temperatura.

•El efecto Peltier consiste en el calentamiento o enfriamiento producido cuando una corriente eléctrica pasa a través de dos uniones distintas.

•El efecto Thomson consiste en el calentamiento o enfriamiento producido cuando una corriente eléctrica pasa a través de un conductor homogéneo en la dirección del gradiente de temperatura.

•El efecto Joule consiste en el calentamiento producido cuando una corriente eléctrica pasa a través de un conductor.

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Efectos termoeléctricos

Origen: Cuando un conductor eléctrico es colocado en un campo de temperaturas no homogéneo, la dependencia de la temperatura de los potenciales electrónicos causará un desplazamiento de la carga

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Efectos termoeléctricos

La fem generada (tensión o voltaje térmico) puede ser medido si se agrega un segundo conductor de distinto material (termocupla)

Al ser distintos metales, la dependencia de la distribución electrónica respecto a la temperatura será distinta, y por lo tanto se podrá apreciar una tensión entre los extremos.

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Circuito térmico

En un campo de temperatura homogéneo no se genera tensión térmico.

En un conductor homogéneo la magnitud de la tensión térmica es solo función de la diferencia de temperaturas entre los terminales del conductor.

La juntura de una termocupla no genera ninguna tensión.

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Termocuplas

o Termopares

El voltaje de salida es proporcional a la diferencia

de temperaturas.Señal de salida muy baja: milivoltios. Necesita

acondicionamiento de la

señal.Sensibilidad baja: microvoltios

por gradoAdmiten altas temperaturas (p. e. calderas)Bastante linealesSensores activos.

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Termocuplas

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Tipos de Termocuplas

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ExactitudTermopar J: Hierro y Constatan (Cu- Ni).Afectado por corrosión Rango: 0º C a +750º C Precisión: 0.5%

Termopar K: Cromo y Alumel (Al- Ni).Buena resistencia a la oxidación. Rango: 0º C a +1. 300º C y 600º C a 1.000º C en atm. oxidantes Precisión: 1%

Termopar R: Platino y Platino- 13% Rodio.Termopar S: Platino y Platino- 10% Rodio.

Rango de medida más amplio (0º C a +1.600º C), pero máscaros. Precisión: 0.5%

Termopar W: Volframio- 5% Renio y Volframio- 26% Renio.Rango: 0º C a +2.800º C en atm. inertes o vacío. Precisión: 1%

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Aplicaciones

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Termocuplas

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Encapsulado

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Juntura calienteLa unión de los metales en la junta caliente se puede hacer por trenzado, fusión osoldadura.Dependiendo de su conexión eléctrica a la vaina se denomina:

Puesta a tierra: La unión hace contacto con la vaina acelerando la transferencia de calor (t = 2 seg)

Aislada: La unión se separa de la cápsula mediante un aislante eléctrico de alta conductividad térmica – MgO. (t = 5 seg)

Desnuda:No se encuentra encapsulada, el tiempo de respuesta es muy pequeño, (t = 0.1 seg), pero el conjunto es muy frágil

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Uso industrial

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Termovainas

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Transmisores

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Sensores de Temperatura

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Tabla resumenSensor Rango Exactitud Ventajas Desventajas

TC E -100 a 1000 +/-

1.5 % 0.5 % (0 a 900°C)

Buena reproducibilidadAmplio Rango

Mínimo span

de 40°C

Algo alinealDeriva Afectada por el ruido eléctricoTC J 0 a 750 +/-

2.2 %

0.75 %

TC K 0 a 1250 +/-

1 % 0.75 %

TC T -160 a 400 +/-

1.0 %

RTD -200 a 650 0.15 % Buena exactitudPequeño span

posibleLinealidad

Auto calentamientoMenos robusta

Termist

or

-40 a 150 +/-

0.1 °C Buena exactitudPequeña deriva

Altamente no linealSolo span

pequeñoDeriva

Bimetáli

co

+/-

1 % Simple y bajo costo No apto altas temperaturasSensible a presión