43553489 Instrumentacion Caracterizacion de Un Termistor NTC

LABORATORIO DE INSTRUMENTACION ELECTRONICA 1

Caracterización de un termistor NTC

Linealización y Acondicionamiento de señal

Resumen

En este trabajo se diseñan e implementan dos sistemas de medición de temperatura basados en dos de los sensores más usados en el mercado, el termistor NTC, y el sensor integrado LM335, se realiza el análisis correspondiente para caracterizar los dispositivos, se implementan sistema de linealizacion para el NTC, y el acondicionamiento de señal necesario para enviar los datos a un sistema de procesamiento, se utiliza la herramienta labVIEW para crear una interfaz con visualización y se realiza un cuadro comparativo entre ambos sensores sacando conclusiones importantes. Palabras clave: Amplificador de instrumentación, acondicionamiento de señal , puente de Wheatstone, LM335, termistor NTC.

Abstract

In this paper we design and implement two systems of temperature measurement based on two of the most used sensors in the market, the NTC thermistor, and the LM335 integrated sensor, the corresponding analysis is performed to characterize the devices, we have implemented a system to get a NTC linear response, and the signal conditioning required to submit data to a processing system, besides it uses a LabVIEW software to create an interface with display. Finally we make a comparison table between both sensors drawing important conclusions. Keywords: Instrumentation amplifier, signal conditioning, Wheatstone Bridge, LM335, NTC thermistor.

1. Introducción

Nuestro mundo es una constante explosión de interacciones, de las cuales la mayoría no podemos interpretar, es por esto que nos vemos en la necesidad de transformarlas a nuestro lenguaje. Siempre en la historia, el hombre ha tratado de encontrar la mejor manera para que exista un perfecto encaje entre lo que sucede y lo que nosotros plasmamos en un papel. Siempre estamos tratando de “cuantificar nuestro mundo” y lo que permite el acceso a estas cantidades son los instrumentos de medida. Es por esto que la instrumentación es una parte fundamental de la ingeniería, y una optima conexión entre eventos, sistemas y el humano depende de ello.

2. Fundamentación Teórica

A. Aspectos generales: se puede hablar del termistor como un material semiconductor que varía su resistencia

eléctrica con las variaciones de temperatura [1], o también se pueden definir como resistores sensibles a la temperatura. Su fabricación se hace a base de óxidos semiconductores de los metales de transición del grupo del hierro, como Cr, Mn, Fe, y Co. Inicialmente la resistividad de estos óxidos es muy elevada, pero al agregar ciertas impurezas (pequeñas cantidades de otros iones de distinta valencia) su respuesta eléctrica cambia de tal manera que son catalogados semiconductores.

Como se menciono, la resistencia de estos dispositivo varían en función de la temperatura, de acuerdo a como se de esta variación, resulta útil dar una clasificación, de aquí surgen dos tipos de termistores : los de tipo NTC (Negative Temperature Coefficient), los cuales exhiben una baja en la resistencia cuando la temperatura aumenta y los termistores PTC (Positive Temperature Coefficient ), los cuales aumentan su resistencia con el aumento de la temperatura.

Israel A. Valencia, Steven A. Arias, Camilo Valderrama, Edwin A. Soler

Universidad del Quindío, Programa de Ing. Electrónica

En algunos casos, la resistencia de un termistor a temperatura ambiente puede disminuir hasta un 6% pocada 1ºC de elevación de la temperatura. Esta alta sensibilidad hace al termistor muy conveniente para mediciones, control y compensación de temperatura dalta precisión . El uso de termistores está muy difen tales aplicaciones, en especial en el rango más temperatura de -100ºC a 300ºC. B. Termistor tipo NTC: Ya un poco mas aclarados los aspectos más generales de los termistores, se enfatun poco en el tipo de termistor usado en la prácticNTC. Los termistores NTC, presentan una disminuciónen la resistencia cuando su temperatura de exposiciaumenta, comúnmente elaborados con óxidos metálicos como los óxidos de manganeso, níquel, cobalto, hiercobre y titanio [2], comercialmente los NTC se pueden dividir en dos grandes grupos dependiendo del métopor el cual los electrodos están unidos a la cerámdispositivo, cada grupo puede a su vez subdividirsesubgrupos, por las diferencias en la geometría, fabricación y/o técnicas de procesamiento entre la resistencia y la temperatura de un termistNTC es exponencial, la ecuación (1) describe el fenómeno.

Donde: Ro es la Resistencia a la temperatura de referencia (usualmente a 25 oC).

es la temperatura característica del material.(representativo de la sensibilidad [2]

To es la temperatura de referencia. C. Respuesta I-V del NTC: Este tipo de termistor presenta un comportamiento muy peculiar que no presentan lo PTC, debido a que cuando las corrientes que lo atraviesan son pequeñas, el consumo de potencia (R I2) es muy pequeño para registrar aumentos apreciables de temperatura, o lo que es igual, descen su resistencia óhmica; en esta parte de la característica la relación tensiónprácticamente lineal y en consecuencia cumplirá la ley de Ohm. Si se sigue aumentando la tensión aplicada al termistor, se llegará a un valor de intensidad epotencia consumida provocará aumentos de temperatursuficientemente grandes como para que la resistencitermistor NTC disminuya apreciablemente, incrementándose la intensidad hasta que se establez

LABORATORIO DE INSTRUMENTACION ELECTRONICA

En algunos casos, la resistencia de un termistor a temperatura ambiente puede disminuir hasta un 6% por cada 1ºC de elevación de la temperatura. Esta alta

muy conveniente para mediciones, control y compensación de temperatura de alta precisión . El uso de termistores está muy difundido en tales aplicaciones, en especial en el rango más bajo de

o mas aclarados los aspectos más generales de los termistores, se enfatizara un poco en el tipo de termistor usado en la práctica, el NTC. Los termistores NTC, presentan una disminución en la resistencia cuando su temperatura de exposición

nte elaborados con óxidos metálicos como los óxidos de manganeso, níquel, cobalto, hierro,

, comercialmente los NTC se pueden dividir en dos grandes grupos dependiendo del método por el cual los electrodos están unidos a la cerámica del dispositivo, cada grupo puede a su vez subdividirse en subgrupos, por las diferencias en la geometría, fabricación y/o técnicas de procesamiento [3]. La relación entre la resistencia y la temperatura de un termistor tipo

, la ecuación (1) describe el

(1)

es la Resistencia a la temperatura de referencia

es la temperatura característica del material. [2])

Este tipo de termistor presenta un comportamiento muy peculiar que no

cuando las corrientes , el consumo de potencia

) es muy pequeño para registrar aumentos apreciables de temperatura, o lo que es igual, descensos en su resistencia óhmica; en esta parte de la característica la relación tensión-intensidad será

en consecuencia cumplirá la ley Si se sigue aumentando la tensión aplicada al

termistor, se llegará a un valor de intensidad en que la potencia consumida provocará aumentos de temperatura suficientemente grandes como para que la resistencia del termistor NTC disminuya apreciablemente, incrementándose la intensidad hasta que se establezca el

equilibrio térmico. El gran reto es percorriente que circula por aumentos apreciables de temperatura en el semiconductor para la resistencia del termistor depúnicamente de la temperatura del medio ambiente en se encuentra.

3. Desarrollo de la práctica

Algunos conceptos importantes para el inicio de la practica han sido aclaradospractica resultan demás interrogantes que serán rescuando sea preciso. El método que se abordara seráenumerar cada paso realizado en la práctica para qucada uno se pueda hacer un reconocimiento hechos más concluyentes.

3.1. Caracterización (Curva R

Se inicia la practica en la búsqueda de una curva característica del termistor, para de la figura 1, en la cual se captaran las variacioresistencia del termistor ante la variación de la temperatura de exposición de este (sumergido en agu

Figura 1: Montaje para obtener curva R vs T

Como se observa, las variaciones de la resistencia miden con un multimetro, y su correspondiente valortemperatura se mide con un termómetro y se anotan lparejas de datos. La tabla que contiene dichas pareencuentra al final de este documentanexos-tablas (tabla 1). A partir de esto se muestra en la figura 2 la curva Resistencia (R en Kohms) versus lTemperatura (T en oC). Para la obtención de la curva se utilizo el software MATLAB 7.5 (R2007b), el códigocorrespondiente se encuentra en la sección códigos (codigo1).

Es muy notable que la curva sigue el patrón exponenpara el termistor de tipo NTC descrito en la secciTeoría. La forma de esta grafica da pie para entrar


El gran reto es permitir que la él, no sea capaz de producir

aumentos apreciables de temperatura en el semiconductor para la resistencia del termistor dependa únicamente de la temperatura del medio ambiente en que

práctica termistor NTC

Algunos conceptos importantes para el inicio de la practica han sido aclarados, en el transcurso de la practica resultan demás interrogantes que serán resueltos

El método que se abordara será enumerar cada paso realizado en la práctica para que en cada uno se pueda hacer un reconocimiento de los

. Caracterización (Curva R –vs- T)

Se inicia la practica en la búsqueda de una curva característica del termistor, para esto se hace el montaje de la figura 1, en la cual se captaran las variaciones en la resistencia del termistor ante la variación de la temperatura de exposición de este (sumergido en agua).

Figura 1: Montaje para obtener curva R vs T

Como se observa, las variaciones de la resistencia se miden con un multimetro, y su correspondiente valor de temperatura se mide con un termómetro y se anotan las parejas de datos. La tabla que contiene dichas parejas se encuentra al final de este documento en la sección

(tabla 1). A partir de esto se muestra en la figura 2 la curva Resistencia (R en Kohms) versus la

C). Para la obtención de la curva se utilizo el software MATLAB 7.5 (R2007b), el código

encuentra en la sección anexos-

Es muy notable que la curva sigue el patrón exponencial para el termistor de tipo NTC descrito en la sección de Teoría. La forma de esta grafica da pie para entrar en

uno de los puntos más importantes deLinealizacion. En el ámbito de la electrónica es fahablar de este concepto, Linealizar el comportamienalgún dispositivo hace que su análisis sea mucho másencillo, además la interpretación de las curvas características, así como el acondicionamiento de sus señales de salida también se hace de mayor simplicilo que implica menos tiempo y menos dinero a la horgozar de alguna de sus aplicaciones.

Figura 2: Curva R vs T para un termistor tipo NTC

De esta manera, en la mayoría de los casos se busca trabajar sobre un modelo lineal, por lo cual en el siguiente apartado se discutirá acerca de la Linealde un termistor tipo NTC. De la figura 2 se ve que la curva tiene un comienzoun valor de Resistencia de aproximadamente una temperatura de 25 oC, en la tabla 1 de la sección anexos se encuentran los valores exactos, allí encontramos que el valor de esta resistencia inicia10.91 k . Esta resistencia es el punto de partida tomado a la temperatura de referencia, en este caso temperatura ambiente, y se denota como:

Ro = 10,91 k a To = 2

Ahora bien, con estos valores y los de la tabla 1, propone ‘cuantificar’ la ecuación (1), para ver quebien describe el comportamiento del termistor. Los parámetros Ro y To de la ecuación ya fueron impuestos, para el cálculo de la temperatura característica , se despeja de la ecuación (1) cpreviamente se han medido valores de R temperaturas (tabla 1). De esta manera la forma general para el cálculo de temperatura característica del termistor se describecuación (2), donde se han puesto dos parejas R


uno de los puntos más importantes de esta práctica; La Linealizacion. En el ámbito de la electrónica es familiar hablar de este concepto, Linealizar el comportamiento de algún dispositivo hace que su análisis sea mucho más sencillo, además la interpretación de las curvas

como el acondicionamiento de sus señales de salida también se hace de mayor simplicidad, lo que implica menos tiempo y menos dinero a la hora de

Figura 2: Curva R vs T para un termistor tipo NTC

la mayoría de los casos se busca trabajar sobre un modelo lineal, por lo cual en el siguiente apartado se discutirá acerca de la Linealizacion

De la figura 2 se ve que la curva tiene un comienzo en ximadamente 11 k para

C, en la tabla 1 de la sección anexos se encuentran los valores exactos, allí encontramos que el valor de esta resistencia inicial es de

. Esta resistencia es el punto de partida tomado de referencia, en este caso a la

se denota como:

5 oC

Ahora bien, con estos valores y los de la tabla 1, se propone ‘cuantificar’ la ecuación (1), para ver que tan

tamiento del termistor.

Los parámetros Ro y To de la ecuación ya fueron para el cálculo de la temperatura

se despeja de la ecuación (1) cuando valores de R para varias

De esta manera la forma general para el cálculo de la temperatura característica del termistor se describe por la

, donde se han puesto dos parejas R-T

cualquiera. Esta fórmula puede ser suficientemente exacta para aplicaciones en una banda esttemperaturas, porque en realidad depende de la temperatura en forma bastante Para el cálculo de se escogen las siguientes parejas: R1 = 10,91 k

R2 = 4.1 k

Estos datos arrojan = 48.93 Además, si se deriva la ecuación (1), se obtiene otro parámetro de gran importancia,coeficiente de Temperatura o sensibilidad relativa,denotado como en la ecuación (3): Como se puede ver, depende tanto de temperatura. Una anotación importante que resulta de analizar este parámetro es que umás sensible a temperaturasrápidamente con el aumento de la temperatura.

3.2. Linealización

Como se discutió brevemente, los dispositivos son dmucho más fácil uso si podemos obtener una respuestlineal ante la variación del parámetro al cual son sensibles, la practica comprobó el avance teórico ofrecido de que el termistor tiene un comportamieexponencial decreciente, que puede resultar inapropo complejo para la creación de aplicaciones.

Los métodos usados para Linealizar consisten en un elemento resistivo al sistema y hacer que la resdel termistor sea lineal alrededor derango de valores. El método de Linealizacion alredede un punto es útil cuando se trabaja en un experimde alta resolución y las variaciones observadas se realizan en un intervalo muy cerrado. Para nuestro las variaciones son bastante amplias y intervalo amplio de trabajolinealizacion en todo un rango de valores.


Esta fórmula puede ser suficientemente exacta para aplicaciones en una banda estrecha de

n realidad no es constante y depende de la temperatura en forma bastante importante.

(2)

se escogen las siguientes parejas:

= 10,91 k a T1 = 25 oC

k a T2 = 50 oC

48.93 oC

si se deriva la ecuación (1), se obtiene otro parámetro de gran importancia, conocido como el coeficiente de Temperatura o sensibilidad relativa,

en la ecuación (3):

(3)

depende tanto de como de la Una anotación importante que resulta de

analizar este parámetro es que un termistor es mucho turas bajas y su sensibilidad cae

rápidamente con el aumento de la temperatura.

Como se discutió brevemente, los dispositivos son de mucho más fácil uso si podemos obtener una respuesta lineal ante la variación del parámetro al cual son sensibles, la practica comprobó el avance teórico ofrecido de que el termistor tiene un comportamiento exponencial decreciente, que puede resultar inapropiado o complejo para la creación de aplicaciones.

Los métodos usados para Linealizar consisten en incluir un elemento resistivo al sistema y hacer que la respuesta del termistor sea lineal alrededor de un punto o en un rango de valores. El método de Linealizacion alrededor de un punto es útil cuando se trabaja en un experimento de alta resolución y las variaciones observadas se realizan en un intervalo muy cerrado. Para nuestro caso

bastante amplias y se requiere un intervalo amplio de trabajo, por tanto se opta por la inealizacion en todo un rango de valores.

El método para lograr esto consiste en escoger trespuntos de paso de la curva R vs T, que correspondentres valores de temperaturas equidistantes Tdecir, la relación de las Temperaturas debe cumplir

T2 - T1 = T3 - T2

Se agrega una resistencia en paralelo con el termiscon la cual se pretende lograr que la nueva respuesta sea lineal en el intervalo T3 – T1. En la figura 3 se observa mejor la intensión de la técnica.

Figura 3: Respuesta lineal al poner R en paralelo El intervalo de medición es de 25 a 95 linealizar la respuesta entre los 35 y los 95 calcular el valor de la resistencia que se debe ponparalelo al termistor tenemos que:

Entonces para los tres valores de temperatura Tresultaran tres valores de resistencia Rpdebido al comportamiento lineal que se obtiene, tamdeben ser equidistantes, entonces:

Rp2 - Rp1 = Rp3 - Rp2

Y con la ecuación (4) tenemos que

Por último, de (5) se despeja R, para obtener:

Como ya se menciono se escoge el intervalo de 35 a oC, que se espera, la respuesta del termistor tendrá


El método para lograr esto consiste en escoger tres puntos de paso de la curva R vs T, que corresponden a

temperaturas equidistantes T1, T2, T3, es decir, la relación de las Temperaturas debe cumplir que:

Se agrega una resistencia en paralelo con el termistor, la nueva respuesta sea

. En la figura 3 se observa

Figura 3: Respuesta lineal al poner R en paralelo.

de 25 a 95 oC. Se buscara inealizar la respuesta entre los 35 y los 95 oC. Para calcular el valor de la resistencia que se debe poner en

(4)

s valores de temperatura T1, T2 y T3

resultaran tres valores de resistencia Rp1, Rp2 y Rp3, que debido al comportamiento lineal que se obtiene, también

(5)

se despeja R, para obtener:

(6)

Como ya se menciono se escoge el intervalo de 35 a 95 C, que se espera, la respuesta del termistor tendrá un

comportamiento, entonces para que los tres valores temperatura sean equidistantestemperatura debe ser 65 tiene: RT1 = 7.45 K a T

RT2 = 2.3 K a T

RT3 = 0.87 K a T

Reemplazando los valores en la ecuación el valor de la Resistencia que

R = 1.659 K

En la práctica se usa R= 1.79 tomaran de nuevo los datos y se buscara la nueva cuR vs T que caracteriza el termistor. Ahora bien se tomar de nuevo los parámetros iníciales del sistema, en este caso Ro seria R//RT. Se obtiene:

Ro2 = 1,56

Así pues, se registran los nuevos datos, (Anexosy en la figura 4, se muestra la nueva curva, R vs T

Figura 4: Curva R vs T

Se obtiene una respuesta lineal en el intervalo (de 35 a 95 oC) lo que comprueba la eficacia del método usado.

Para el caso del termistor se puede decir que su comportamiento puede serya que están diseñados para trabajar en el rango de100 oC y podríamos abarcar todo este rango para realizar la linealizacion.

3.3. Acondicionamiento de señal

Las señales de salida de los transductores o sensorpor lo general contienen ruido, son muy débiles o simplemente nos presentan los datos en variaciones que no son útiles para conectarlos directamente al sistema de procesamiento de la señal.


comportamiento, entonces para que los tres valores de temperatura sean equidistantes, el otro valor de

oC, entonces en resumen se

a T1 = 35 oC

a T2 = 60 oC

a T3 = 95 oC

Reemplazando los valores en la ecuación (6), se tiene que se debe poner en paralelo es:

R= 1.79 K , de esta manera se tomaran de nuevo los datos y se buscara la nueva curva R vs T que caracteriza el termistor. Ahora bien se deben

parámetros iníciales del sistema, en Se obtiene:

1,56 K

Así pues, se registran los nuevos datos, (Anexos-tabla 2), y en la figura 4, se muestra la nueva curva, R vs T.

con método de linealizacion

Se obtiene una respuesta lineal en el intervalo deseado, lo que comprueba la eficacia del

Para el caso del termistor se puede decir que su comportamiento puede ser completamente linealizado, ya que están diseñados para trabajar en el rango de 0 a

C y podríamos abarcar todo este rango para

Acondicionamiento de señal

Las señales de salida de los transductores o sensores neral contienen ruido, son muy débiles o

simplemente nos presentan los datos en variaciones no son útiles para conectarlos directamente al

sistema de procesamiento de la señal.

Es por esto que los sistemas de acondicionamiento dseñal juegan un papel de vital importancia pacorrecta utilización de los datos. A continuación se describen los procedimientos realizados para preparar la señal de manera enviarla al sistema de procesamiento de los datos.

3.3.1. Puente de Wheatstone

Como se ha descrito en las secciones anteriores la tode los datos para la caracterización del termistor realiza observando el cambio de la resistencia del termistor con la variación de la temperaturabuscara presentar los datos en niveles la interpretación de estos por otro sistema o por uoperador sea más eficiente.

Se implementa el circuito de la figura 5conocido como puente de Wheatsone. Como se observa,una de las resistencias corresponde a la variable del termistor linealizado, (implementado en la sección 3.2) la variación de esta hace que varíe según se explica.

Figura 5: Montaje puente de Wheatsone

Como se ve, una de las resistencias es la al paralelo entre la RT del termistor y la Rlinealizacion.

La salida del voltaje es descrita por la ecuación (entonces se requiere que la salida este en un rangovalores lo suficientemente apreciable, se encoge elde 0 a 5 voltios.


Es por esto que los sistemas de acondicionamiento de de vital importancia para en la

A continuación se describen los procedimientos realizados para preparar la señal de manera óptima para enviarla al sistema de procesamiento de los datos.

mo se ha descrito en las secciones anteriores la toma de los datos para la caracterización del termistor se realiza observando el cambio de la resistencia del termistor con la variación de la temperatura, entonces se

de voltaje para que la interpretación de estos por otro sistema o por un

Se implementa el circuito de la figura 5, el cual es conocido como puente de Wheatsone. Como se observa, una de las resistencias corresponde a la resistencia

(implementado en la la variación de esta hace que el voltaje Vo

Figura 5: Montaje puente de Wheatsone

Como se ve, una de las resistencias es la correspondiente del termistor y la RL de

La salida del voltaje es descrita por la ecuación (7), entonces se requiere que la salida este en un rango de valores lo suficientemente apreciable, se encoge el rango

(7)

Tomando R4 = RT//Resperado se deben tener en cuenta dos factores; primero que el valor de R(el valor inicial del la medición), es de 1,56 ksegundo, que el valor de Rcentígrados es de 0,85 khace lo siguiente. De la ecuacióimportar el valor de la alimentación, cuando todas la resistencias tienen el mismo valor, el voltaje dsalida es igual a cero, por lo tanto para obtener uvalor inicial de cero voltios simplemente hacemos que R1, R2 y R3 sean de 1.56quiere que para un valor de temperatura de 90 la salida sea de 5 voltiosde R4 a esa temperatura, que es de 0,85 khalla el valor que se debe tener a la entrada para una salida de 5 voltios:

Con los valores de resistencias mencionados se obtiene que Vo = 0.1473 voltios en valor de entrada es voltios, de esta manera se obtiene el rango deseado. En la tabla 3 de la sección anexos, se observan los datos obteniconfiguración, la figura 6, refleja el comportamiento.

Figura 6: Datos salida Puente de Wheatstone

Como vemos, las variaciones lineales de la resistenhacen que las variaciones de voltaje sean aproximadamente lineales aproximadamente el deseado.listo para hacer un procesamiento de la señal para control de temperatura o alguna otra aplicación, seobtienen variaciones suficique un sistema de adqinterpretar fácilmente los resultados.


//RL , para lograr el rango tener en cuenta dos factores;

primero que el valor de R4 a 25 grados centígrados (el valor inicial del la medición), es de 1,56 k , y segundo, que el valor de R4 a 90 grados centígrados es de 0,85 k . Con estos dos datos se hace lo siguiente. De la ecuación (7), se ve que sin importar el valor de la alimentación, cuando todas la resistencias tienen el mismo valor, el voltaje de salida es igual a cero, por lo tanto para obtener un

cero voltios simplemente hacemos sean de 1.56 k . Pero además se

quiere que para un valor de temperatura de 90 oC, la salida sea de 5 voltios, para esto usamos el valor

a esa temperatura, que es de 0,85 k y se halla el valor que se debe tener a la entrada para

Con los valores de resistencias mencionados se Vo = 0.1473 Vi, entonces para cinco

voltios en valor de entrada es Vi = 33,9436

, de esta manera se obtiene el rango deseado. En la tabla 3 de la sección anexos, se observan los datos obtenidos para esta configuración, la figura 6, refleja el

Figura 6: Datos salida Puente de Wheatstone

Como vemos, las variaciones lineales de la resistencia, hacen que las variaciones de voltaje sean aproximadamente lineales y el rango de valores es aproximadamente el deseado. Lo que deja al sistema listo para hacer un procesamiento de la señal para un control de temperatura o alguna otra aplicación, se obtienen variaciones suficientemente altas como para que un sistema de adquisición de datos pueda interpretar fácilmente los resultados.

4. Desarrollo de la práctica sensor LM335

En las secciones anteriores se han hecho varias clases de mediciones con base al comportamiento del termistorNTC, del cual se comprobó su comportamiento exponencial. Con el fin de optimizar la utilizacióndatos de salida se opto por buscar un método linealizacion que implicaba un circuito adicional. Para evitar poner un circuito adicional para lograrlinealidad y obtener más altos niveles de rendimiento se opta por realizar mediciones con un sensor integrado como el LM335, es un sensor de fácil calibración, que opera como un zener de 2 terminales, ohm de impedancia dinámica, que opera con un rango corriente de 400uA a 5mA. Cuando se calibra a 25ºtiene un error de menos de 1ºC sobre 100ºCdiferencia de otros sensores este tiene requerimiento, una salida lineal. Las aplicaciones del sensor de temperatura abarca un rango de 150ºc. La baja impedancia y la salida lineal hacen interface de lectura o de control sea un circuito esencialmente sencillo.

Se realizaran las medidas de voltaje contra resistencomprobaremos la sensibilidad del dispositivo. Se realiza el montaje de la figura 7, teniendo en cuende la hoja de datos del dispositivo, ofrece dos datos de gran importancia:

El valor del voltaje de salida a 25 oC es de 2.98 v La sensibilidad es de 10 mV/oC.

Figura 7: Montaje Para medición detemperatura con sensor integrado.

De esta manera se captaron los datos correspondientvoltaje de salida Vo con la variación de la temperatura, pero esta vez esperando una respuesta línea. En la Tab4 se muestran los datos de las parejas T8 vemos el comportamiento de manera grafica.


Desarrollo de la práctica sensor LM335

n hecho varias clases de mediciones con base al comportamiento del termistor NTC, del cual se comprobó su comportamiento exponencial. Con el fin de optimizar la utilización de los datos de salida se opto por buscar un método de

un circuito adicional.

Para evitar poner un circuito adicional para lograr altos niveles de rendimiento se

un sensor integrado es un sensor de fácil calibración, que

opera como un zener de 2 terminales, con menos de 1 ohm de impedancia dinámica, que opera con un rango de corriente de 400uA a 5mA. Cuando se calibra a 25ºc tiene un error de menos de 1ºC sobre 100ºC, y a

e otros sensores este tiene nuestro principal una salida lineal. Las aplicaciones del

sensor de temperatura abarca un rango de - 55ºc a + 150ºc. La baja impedancia y la salida lineal hacen que la interface de lectura o de control sea

e realizaran las medidas de voltaje contra resistencia y comprobaremos la sensibilidad del dispositivo. Se realiza el montaje de la figura 7, teniendo en cuenta que

, ofrece dos datos de

C es de 2.98 v [4].

Figura 7: Montaje Para medición de temperatura con sensor integrado.

De esta manera se captaron los datos correspondientes al salida Vo con la variación de la temperatura,

o esta vez esperando una respuesta línea. En la Tabla 4 se muestran los datos de las parejas T-Vo y en la figura 8 vemos el comportamiento de manera grafica.

Figura 8: Comportamiento Vo

Efectivamente, se obtiene lineal, lo que comprueba la fiabilidad de los datosofrecidos por el fabricante incluyendo el valor de sensibilidad de 10 mV/oC.

A pesar de que el sensor integrado brinda una salidlíneal , es notable que el rango de valores de respuesta es muy corto, esto impide que se saquen análisis concluyentes acerca del fenómeno,de adquisición de datos resultaría incapaz de intervariaciones tan bajas, podrían ser fácilmente confundidas con ruidos lo que llevaría a una toma errónea la medida. Es por estos que se sistema que amplíe este rango, por lo cual en la siguiente sección se describe a implementación de uamplificador de instrumentación que permite llevarsalida del lm335 hasta un valor de 5 voltios para scaptado por una tarjeta de adquisición de datos.

4.1. Amplificador de Instrumentación

Como se discutía anteriormente, la salida de un sistema debe fluctuar entre un rango amplio de valores, parlograr una buena captación de los datos por un sistde procesamiento de estos. que entregan no debe ser de gran magnitud. La mejor solución apunta al amplificador de instrumentación que cuenta con las siguientes características: Resistencia de entrada alta (orden de M Resistencia de salida baja (debajo de 1 Alta ganancia de lazo abierto. Buen rango de frecuencias de operación. Baja sensibilidad a las variaciones de la

fuente de alimentación. Gran estabilidad al cambio de temperatura

en el ambiente.


Figura 8: Comportamiento Vo -vs- T del LM335

, se obtiene una salida completamente

lineal, lo que comprueba la fiabilidad de los datos ofrecidos por el fabricante incluyendo el valor de

C.

A pesar de que el sensor integrado brinda una salida , es notable que el rango de valores de respuesta

es muy corto, esto impide que se saquen análisis fenómeno, además un sistema

de adquisición de datos resultaría incapaz de interpretar variaciones tan bajas, podrían ser fácilmente confundidas con ruidos lo que llevaría a una toma errónea la medida. Es por estos que se requiere de un

ema que amplíe este rango, por lo cual en la siguiente sección se describe a implementación de un amplificador de instrumentación que permite llevar la salida del lm335 hasta un valor de 5 voltios para ser captado por una tarjeta de adquisición de datos.

Amplificador de Instrumentación

anteriormente, la salida de un sistema debe fluctuar entre un rango amplio de valores, para lograr una buena captación de los datos por un sistema de procesamiento de estos. Además de esto la corriente

an no debe ser de gran magnitud. La mejor amplificador de instrumentación ya siguientes características:

Resistencia de entrada alta (orden de M ). Resistencia de salida baja (debajo de 1 ). Alta ganancia de lazo abierto. Buen rango de frecuencias de operación. Baja sensibilidad a las variaciones de la fuente de alimentación. Gran estabilidad al cambio de temperatura

La figura 9 muestra el montaje general del amplificador de instrumentación, la salida está basada en la diferencia entre dos entradas V1 y V2 (multiplicada por unganancia). Para este caso lo que se quiere es amplificar la salida del LM335, entonces sus variaciones de voserán la entrada V2 del amplificador de instrumentación.

Figura 9: Amplificador de instrumentación

Para llevar la salida del LM335 a 5 voltios en 90 debemos primero calibrar el instrumentación para que a 0 oC la salida de volta0 voltios. Para esto se debe tener en cuenta los siguientes factores: La salida del amplificador de instrumentación depende la resta de las salidas de los amplificadores A A 25 oC el voltaje de salida del con el LM335 es de 2.98 voltios. Por lo tanto para lograr Vo igual a cero a 25 voltaje V1 del circuito de la figura 9 debe ser de 2.98 voltios, y como las ganancias del amplificador A y iguales entonces las resta de sus salidas partir de ese punto debemos hallar los valores de lresistencias para que a 90oC obtengamosEntonces tenemos que el voltaje máximo del LM para una temperatura de 90 oC fue de 3.63 voltios, por tanto el voltaje máximo de entrada al amplificador de instrumentación será de

V2max – V1 = 3.63 – 2.98 = 0.65 v

De esta manera la ganancia del amplificador será la relación entre el voltaje máximo esperado y el valomáximo de entrada, es decir:


9 muestra el montaje general del amplificador basada en la diferencia (multiplicada por una

Para este caso lo que se quiere es amplificar la salida del LM335, entonces sus variaciones de voltaje

del amplificador de instrumentación.

Figura 9: Amplificador de instrumentación

a 5 voltios en 90 oC, amplificador de

C la salida de voltaje sea sto se debe tener en cuenta los siguientes

La salida del amplificador de instrumentación dependerá de la resta de las salidas de los amplificadores A y B.

con el LM335 es de 2.98

rar Vo igual a cero a 25 oC, el del circuito de la figura 9 debe ser de 2.98

voltios, y como las ganancias del amplificador A y B son iguales entonces las resta de sus salidas dará cero. A partir de ese punto debemos hallar los valores de las

C obtengamos cinco voltios. Entonces tenemos que el voltaje máximo del LM para

voltios, por tanto el voltaje máximo de entrada al amplificador de

2.98 = 0.65 v

del amplificador será la relación entre el voltaje máximo esperado y el valor

Y como la ganancia depende de los valores de las resistencias, procedemos a hallar los valores correspondientes.

Asumiendo R4 = R3 = 1 kvalor de RG, despejando de (8)

RG = 2.988 k

Sin embargo en la práctica debemos considerar las tolerancias de las resistencias y otras imprecisionañadidas, por lo tanto se opta por dejar la resistencia RG variable, en este caso un potenciómetro de 10 k

Se han calculado los datos necesarios para obtener salida deseada en el amplificador de instrumentacióimplementado al sensor LM335, se realizan las mediciones de temperatura versus voltaje y se anotan las parejas que son presentadas en la tabla 5 desecciones anexos. En la figura 10, se muestra el comportamiento del sienta completo.

5. Adquisición de datos

Se uso la tarjeta de adquisición de datos labjack, (mostrada en la sección anexosen el laboratorio la cual permseñales de 12 bits, para PC con conexión USB. esta tarjeta dispone de 8 entradas analógicas y 4 entradanalógicas diferenciales de 12 bits, de lafue necesario el uso de dos de estas entradas una para la señal de voltaje tomada puente de termistor y la otra para la señal de voltaje tomada lm335, esta tarjeta también cuenta con 20 entrada/salida digitales. La labjack cuenta con librerías aplicables a National Instruments Labview, por estarazón y por la facilidad quLabVIEW se implemento este para la visualizacióndatos, en la Figura 10 bloques ejecutable en LabVIEW Para la elaboración de este esquemático se uslibrerías que nos permiten la comunicación de la talabjack, se encuentran instaladas en la PC usada para la simulación, además se hizo uso de un ejemplo presentado en el paquete labjack, suministrado por la Ingeniera Marisodel curso.


Y como la ganancia depende de los valores de las resistencias, procedemos a hallar los valores

(8)

= 1 k , y R2 = 10 k , se halla el despejando de (8), para obtener:

2.988 k

Sin embargo en la práctica debemos considerar las tolerancias de las resistencias y otras imprecisiones

por lo tanto se opta por dejar la resistencia variable, en este caso un potenciómetro de 10 k .

Se han calculado los datos necesarios para obtener las salida deseada en el amplificador de instrumentación, implementado al sensor LM335, se realizan las

temperatura versus voltaje y se anotan las parejas que son presentadas en la tabla 5 de la secciones anexos. En la figura 10, se muestra el comportamiento del sienta completo.

Adquisición de datos en LabVIEW

e uso la tarjeta de adquisición de datos labjack, anexos-fotografías) disponible

en el laboratorio la cual permite la consecución de señales de 12 bits, para PC con conexión USB. esta tarjeta dispone de 8 entradas analógicas y 4 entradas analógicas diferenciales de 12 bits, de las cuales solo

uso de dos de estas entradas una para aje tomada puente de Wheatstone con el

ra la señal de voltaje tomada del 335, esta tarjeta también cuenta con 20 puertos de

La labjack cuenta con librerías aplicables a National Instruments Labview, por esta

por la facilidad que nos ofrece el software se implemento este para la visualización de

se muestra el diagrama de LabVIEW.

ara la elaboración de este esquemático se usaron las librerías que nos permiten la comunicación de la tarjeta

instaladas en la PC usada para la simulación, además se hizo uso de un ejemplo presentado en el paquete labjack, el cual fue

Ingeniera Marisol Gómez, docente

Figura 10:

En esta ocasión se uso solo la parte de lectura de datos ya que losla tarjeta, módulos no usados para nuestra practica ya que nuestro único interés evisualizarlos en la interfaz, los demás bloques se añaddel voltaje hallada en los puntos anteriores labjack nos arrojara valores de voltaje y lo que se necesita visualizar al lado derecho los voltaje vs temperatura en el cutermómetro de color rojo, lo mismo se hizo para lcomparación de los dos métodos.

Figura 11:


Figura 10: Diagrama de bloques esquemático en LabVIEW.

se uso solo la parte de lectura de datos ya que los demás bloques nos ara nuestra practica ya que nuestro único interés e

alizarlos en la interfaz, los demás bloques se añadieron con el objetivo de ingresar la temperatura ena en los puntos anteriores tanto para el lm335, como para el termistor, todo d

valores de voltaje y lo que se necesita visualizar es la temperatura. en al lado derecho los voltaje vs temperatura en el cuadro grafico, además de la temperatura representadatermómetro de color rojo, lo mismo se hizo para la visualización de resultado para el termistor esto

Figura 11: Interfaz grafica elaborada en LabVIEW.


demás bloques nos permitirían leer y escribir de ara nuestra practica ya que nuestro único interés es el de leer los datos y

ieron con el objetivo de ingresar la temperatura en función tanto para el lm335, como para el termistor, todo debido a que la tarjeta

es la temperatura. en la Figura 11, se muestra adro grafico, además de la temperatura representada en el

a visualización de resultado para el termistor esto para facilitar la

6. CONCLUSIONES

La calibración de los sensores, es un parámetrolos datos medidos, ya que en un experimentomedidas se realizan en varios días, y como la temperatura ambiente cambia constantemente, los parámetrosmedición también lo hacen, lo que puede causarincorrectas del evento.

Más específicamente podemos concluir varias cosas aclos sensores usados, el termistor pierde sensibilidad con el aumento de la temperatura y cuando se le aplican linealizacion, además es necesario, El sensor integrado brinda de una vez una curva lineal con una sensibilidadbastante buena, por lo que podemos afirmar que para de aplicación que requiere mayor precisióncuya base teórica debe ser muy próxima a la realidadelección es el sensor integrado.

Podría afirmar que en este trabajo se han abordado parte del estudio de los sistemas de medida, se vio como con un circuito tan simple como el puente de Wheatsone una gran utilidad de acondicionamiento de señal, encontramos con el amplificador de instrumentaciónmuy claro cuál es la mejor y más sencilla una salida más concreta a un sistema para ser visualizada o interpretada de mejor manera.

Se aprende a lidiar con sistemas cuyas variables sonumerosas, como se requiere calibraciónlas tolerancias de las resistencias, los cambio de temperatura, instrumentos defectuosos, referencias mal considerapueden hacer de la toma de medidas un procedimiento arduono se tienen todas las precauciones necesarias

Vale la pena recalcar que por las existen que no se puedan concluir algunas cosas acerca de los sensores estudiados, por ejemplo si queremos determinar la repetibilidad, sería muy complicado ya que someter el sistema a condiciones exactamente iguales para saber si arroja la misma medida, pero eso no se puede logsiempre hay imperfecciones o diferencias estufas no calientan igual ni en el mismo tiempo, ltemperatura ambiente cambia, los errores de paralajdistintos, entre otros aspectos que hacen muy determinar aspectos como el mencionado.

Herramientas como LabVIEW y tarjetas de adquisición nos permiten de una forma más aproximada, eficaz y conocimiento de sistemas de sistemas de medidapresentado en este trabajo, esta práctica nos forma gracias a los atributos presentados al momento de la elaboración completa del sistema desde la parte de montaje, medición y acondicionamiento de señal


ONCLUSIONES

parámetro crucial al usar experimento como este las

y como la temperatura parámetros iníciales de

, lo que puede causar apreciaciones

podemos concluir varias cosas acerca de el termistor pierde sensibilidad con el

y cuando se le aplican métodos de El sensor integrado brinda

nsibilidad constante y , por lo que podemos afirmar que para un tipo

precisión y para sistemas a la realidad la mejor

trabajo se han abordado una gran de medida, se vio como con

un circuito tan simple como el puente de Wheatsone se obtenía una gran utilidad de acondicionamiento de señal, además nos

instrumentación que deja sencilla solución para dar

concreta a un sistema para ser visualizada o

Se aprende a lidiar con sistemas cuyas variables son muy calibración de cada subsistema

, los cambio de temperatura, , referencias mal consideradas

procedimiento arduo si necesarias.

por las existen factores que hacen concluir algunas cosas acerca de los sensores

, por ejemplo si queremos determinar la muy complicado ya que tendríamos que

iones exactamente iguales para si arroja la misma medida, pero eso no se puede lograr,

o diferencias en los montajes, las estufas no calientan igual ni en el mismo tiempo, la temperatura ambiente cambia, los errores de paralaje son distintos, entre otros aspectos que hacen muy difícil

y tarjetas de adquisición nos aproximada, eficaz y sencilla el sistemas de medida como el

nos enriqueció de gran presentados al momento de la

elaboración completa del sistema desde la parte de diseño, y acondicionamiento de señal.

6.1 comparativo T

7. REFERENCIAS

[1] Termistor : http://es.wikipedia.org/wiki/ [2] LINEALIZACIÓN de un TERMISTOR, http://docs.google.com/gview?a=v&q=cache:qsTejbeZsNJ:ar.geocities.com/componentes_unlm/0376/linealizacde_un_termistor.pdf+/linealizacion_de_un_termistor.hl=es&gl=co&sig=AFQjCNHsQ1xliHPHAiRKTVOB3ZmxkxbSGg [3] NTC thermistors, pag 1, www.mne.psu.edu/sommer/me445/ntcnotes.pdf [4] Temperature accuracy-http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/nationalsnductor/DS005698.PDF [5] Puente de Wheatsone: http://fisica.udea.edu.co/~labgicm/2009_electronicauente_de_Wheaststone.pdf [6] Amplificador de InstrumentaciónMarisol Gomes http://www.gii.upv.es/personal/gbenet/tim/practicas/practica%20transductores/Pr%C3%A1ctica1_transductores.pdf [7] LabVIEW: http://www.gte.us.es/ASIGN/IE_4T/Tutorial%20de%20Labview.pdf http://techteach.no/publications/labview/lv82/labvi_formula_node [8] Introducción a los sistemas de medida, http://webpages.ull.es/users/oghdez/pdf/Introduccio%20los%20sistemas%20de%20medida.pdf


Termistor vs Sensor LM335

EFERENCIAS

//es.wikipedia.org/wiki/

LINEALIZACIÓN de un TERMISTOR, págs. 1, 2 http://docs.google.com/gview?a=v&q=cache:qsTejbeZsN8J:ar.geocities.com/componentes_unlm/0376/linealizacion_de_un_termistor.pdf+/linealizacion_de_un_termistor.pdf&l=es&gl=co&sig=AFQjCNHsQ1xliHPHAiRKTVOB3Z

, pag 1, www.mne.psu.edu/sommer/me445/ntcnotes.pdf

- http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/nationalsemico

http://fisica.udea.edu.co/~labgicm/2009_electronica/2009Puente_de_Wheaststone.pdf

Instrumentación: Notas de Clase Ing.

.upv.es/personal/gbenet/tim/practicas/practica%20transductores/Pr%C3%A1ctica1_transductores.pdf

http://www.gte.us.es/ASIGN/IE_4T/Tutorial%20de%20La

http://techteach.no/publications/labview/lv82/labview/#sec

Introducción a los sistemas de medida, http://webpages.ull.es/users/oghdez/pdf/Introduccion%20a%20los%20sistemas%20de%20medida.pdf

43553489 Instrumentacion Caracterizacion de Un Termistor NTC

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