El termistor con LabVIEW

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UNIVERSIDAD AUTONOMA DE NUEVO LEON FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA

Introducción

El termistor es un componente electrónico cuya resistencia varía sensiblemente con la temperatura. Se trata de una resistencia no lineal, ya que la corriente que la atraviesa no es función lineal del voltaje. Un termistor de coeficiente negativo de temperatura (NTC) es aquel cuya resistencia disminuye a medida que la temperatura aumenta, y un termistor de coeficiente positivo de temperatura (PTC) es aquel cuya resistencia aumenta conforme aumenta la temperatura. Una ventaja de estos componentes es su alta resistencia nominal (a 25o).

Objetivo

Se busca que el estudiante conozca el comportamiento de un termistor, sus diferentes tipos y aplicaciones en los sistemas electrónicos.

Marco teórico

Termistor NTC (Negative Temperature Coefficient) es una resistencia variable cuyo valor se ve disminuido a medida que aumenta su temperatura. Son resistencias constituidas por un cuerpo semiconductor cuyo coeficiente de temperatura es elevado, es decir, su conductividad crece muy rápidamente con la temperatura. En su fabricación Se emplean óxidos semiconductores de níquel, zinc, cobalto, etc.Termistor PTC (Positive Temperature Coefficient) es una resistencia variable cuyo valor se ve aumentado a medida que aumenta la temperatura. Los termistores PTC se utilizan en una gran variedad de aplicaciones: limitación de corriente, sensor de temperatura, desmagnetización y para la protección contra el recalentamiento de equipos tales como motores eléctricos. También se utilizan en indicadores de nivel, para provocar retardos en circuitos, como termostatos, y como resistores de compensación.El termistor PTC pierde sus propiedades si su temperatura llega a ser demasiado.

LABORATORIO DE SENSORES Y ACTUADORES PRÁCTICA #3: EL TERMISTOR

Ejemplos de diferentes tipos de termistores

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El cambio de la resistencia por cada grado de temperatura, es mucho mayor que el que ocurre en los metales. La relación resistencia-temperatura de un termistor se puede expresar mediante la siguiente ecuación:

Donde Rt es la resistencia de la temperatura t, y K y ß son constantes. Si se comparan con otros sensores de temperatura, los termistores ofrecen muchas ventajas. Son resistentes y pueden ser muy pequeños, por lo cual permiten el monitoreo de temperaturas casi en cualquier punto. Gracias a su reducido tamaño, responden muy rápido a los cambios de temperatura, pero su principal desventaja es su no linealidad.

Investigación de los termistores

Los termistores, o resistores térmicos, son dispositivos semiconductores que se comportan como resistencias con un coeficiente de temperatura de resistencia alto y, generalmente negativo. En algunos casos, la resistencia de un termistor a temperatura ambiente puede disminuir hasta un 6% por cada 1ºC que se eleve la temperatura. Dada esta alta sensibilidad al cambio de temperatura hacen al termistor muy conveniente para mediciones, control y compensar con precisión la temperatura. El uso de termistores está muy difundido en tales aplicaciones, en especial en el rango más bajo de temperatura de -100ºC a 300ºC.

Los termistores se componen de una mezcla sintética de óxidos de metales, como manganeso, níquel, cobalto, cobre, hierro y uranio. Su rango de resistencia va de 0.5 ohms. a 75 ohms y están disponibles en una amplia gama de formas y tamaños. Los más pequeños son cuentas con un diámetro de 0.15 mm a 1.25 mm. Las cuentas se pueden colocar dentro de una barra de vidrio para formar sondas que son más fáciles desmontar que las cuentas. Se hacen disco y arandelas presionando el material termistor en condiciones de alta presión en formas cilíndrica y plana con diámetros de 2.5 mm a 25 mm. Las arandelas se pueden apilar y conectar en serie o paralelo con el fin de incrementar la disipación de potencia.

Tres características importantes del termistor lo hacen extremadamente útil en aplicaciones de medición y control:

a) Resistencia-temperatura

b) Voltaje-corriente

c) Corriente-tiempo

Las características resistencia--temperatura de la figura muestra que un termistor tiene coeficiente de temperatura de resistencia muy elevado y negativo, lo cual lo convierte en un TRANSDUCTOR DE TEMPERATURA IDEAL.

En la característica voltaje-corriente de la figura se observa que la caída de voltaje a través de un termistor aumenta con el incremento de corriente hasta que alcanza un valor pico, más allá del cual la caída de voltaje decrece con el incremento de corriente.


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Listado de material

Resistencia de 1k ohms y termistor. Fuente de voltaje. Protoboard. Fuente de calor. Termómetro. Protector contra agua.

Instrucciones

1. Implementar el circuito sobre su propio protoboard para evitar daños accidentales al material del laboratorio.

2. El termistor debe estar protegido contra el líquido para que no se vaya a crear un corto circuito entre las terminales del termistor, teniendo así lecturas erróneas.

3. Colocar agua dentro del envase junto con el termistor.

4. Calentar hasta que el sistema llegue a los 70 grados centígrados.

5. Apagar la fuente de calor y con el termómetro realizar las mediciones de temperatura del agua y del voltaje medido en el termistor cada 30 segundos hasta llegar a los 40 grados.

6. Realizar una gráfica de la temperatura registrada en el termistor contra el voltaje medido, y luego una gráfica de la variación del voltaje, con respecto a la temperatura registrada en el termistor.

7. Comentar acerca del comportamiento de las gráficas y determinar el tipo de termistor empleado.


Tarjeta utilizada

Diagrama a utilizar

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Desarrollo de la práctica

Para el desarrollo de esta práctica, ya teníamos un poco más de nociones acerca del entorno del NI ELVIS, así como del equipo de trabajo, a lo cual procedimos a seguir las indicaciones antes mostradas.

En primer lugar, armamos el circuito necesario para esta práctica en un protoboard, puesto que era más sencillo de poder detectar cualquier falla en la conexión, y manipularlo cómodamente, así como de evitar en la medida de lo posible cualquier accidente, ya que en esta sesión se manejaría agua como medio por el cual el termistor iba a ejercer su función me medir el voltaje en relación con la temperatura en la que se encuentre.

Al principio, batallamos en encontrar la manera de conectarlo correctamente, ya que el multimetro no llegaba a arrojar resultados coherentes, a lo cual a base de prueba y error se encontró la manera de hacer las mediciones.

La siguiente imagen muestra la evidencia del circuito conectado correctamente:


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Tal como dice la práctica el termistor empleado se aisló completamente para evitar el contacto con el agua al momento de sumergirlo.

Por último se calentó el agua hasta una temperatura de 70 grados Celsius, para lo cual se utilizo un termómetro de mercurio de escala 110 grados Celsius para evitar cualquier sobrecalentamiento y que un termómetro de menor escala no soportara tales medidas y se reventara, por la presión ejercida.

Como fuente de calor se utilizo un horno de microondas y de recipiente un vaso para tomar café, apto para meterlo en el microondas y evitar cualquier accidente.


Circuito armado, con todos sus componentes y acoplado al NI ELVIS

Termistor aislado para la prácticaTermistor empleado

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Toma de datos

Tiempo Temperatura (ºC)

Voltaje (Volts) Tiempo Temperatura (ºC)

Voltaje (Volts)

30 70 3.32 1260 52 3.95760 69 3.336 1290 52 3.96690 68 3.347 1320 51 3.976

120 67 3.368 1350 51 3.986150 67 3.379 1380 50 3.996180 66 3.389 1410 50 4.004210 65 3.419 1440 50 4.013240 65 3.438 1470 50 4.022270 64 3.46 1500 49 4.031300 64 3.481 1530 49 4.039330 63 3.504 1560 49 4.048360 63 3.521 1590 49 4.057390 62 3.541 1620 49 4.065420 62 3.561 1650 48 4.072450 61 3.58 1680 48 4.08480 61 3.6 1710 48 4.088510 60 3.62 1740 48 4.095540 60 3.635 1770 48 4.102570 60 3.652 1800 47 4.107600 59 3.67 1830 47 4.118630 59 3.69 1860 47 4.125660 58 3.701 1890 47 4.131690 58 3.716 1920 46 4.137720 58 3.733 1950 46 4.143750 57 3.75 1980 46 4.149780 57 3.761 2010 46 4.156810 56 3.776 2040 45 4.163840 56 3.789 2070 45 4.169870 56 3.801 2100 45 4.172900 55 3.82 2130 45 4.182930 55 3.828 2160 45 4.186960 55 3.842 2190 45 4.191990 54 3.854 2220 44 4.197

1020 54 3.866 2250 44 4.2011050 54 3.88 2280 44 4.2081080 53 3.891 2310 44 4.2131110 53 3.901 2340 44 4.221140 53 3.914 2370 43 4.2231170 53 3.924 2400 43 4.2281200 52 3.936 2430 43 4.2331230 52 3.944 2460 43 4.24



Voltaje (Volts)

2490 42 4.241 2760 41 4.284


8


2520 42 4.247 2790 41 4.292550 42 4.254 2820 41 4.2912580 42 4.257 2850 41 4.2962610 42 4.262 2880 41 4.32640 42 4.269 2910 41 4.3052670 42 4.271 2940 41 4.3092700 42 4.276 2970 41 4.3132730 41 4.281 3000 40 4.32

Resultados

Grafica del voltaje con respecto a la temperatura del termistor:

35 40 45 50 55 60 65 70 753

3.2

3.4

3.6

3.8

4

4.2

4.4

4.6

4.8

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Voltaje vs Temperatura

Temperatura (grados Celsius)

Volta

je (v

olts

)

La grafica nos hace ver que a mayor temperatura, la resistencia del termistor disminuye, reflejando menor voltaje, y que a menor temperatura la resistencia del termistor aumentam reflejando mayor voltaje. Esto se puede deducir gracias a la ley de Ohm:

V=I∗R

Donde la variable “R” hace que la función este de forma lineal, en lo cual también se aprecia en la grafica.

Grafica del cambio del voltaje (Vo/Vref) con respecto a la temperatura del termistor:


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35 40 45 50 55 60 65 70 750.600000000000001

0.650000000000001

0.700000000000001

0.750000000000001

0.800000000000001

0.850000000000001

0.900000000000001

Cambio del voltaje vs Temperatura

Temperatura (grados Celsius)

Volta

je (V

o/Vr

ef)

Con esta figura, se aprecia que el cambio de voltaje con respecto a la temperatura tiende a formar la misma grafica anterior, solo que con diferente escala, en la cual se aprecia también el rango en el cual oscila el voltaje del termistor desde 40 grados a 70 grados Celsius.

Ejercicio opcional: termistor y LabVIEW


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Es posible obtener datos por medio de una tarjeta conectada a una PC, para así fácilmente realizar cálculos con ellos. Si se utiliza un potenciómetro y una tarjeta de adquisición de datos idónea, es posible construir un programa en la PC que muestre un cálculo de la posición angular del potenciómetro.

Objetivo

Que el estudiante se familiarice con el software de los laboratorios y que sepa como manipular los datos que pueda adquirir, además de utilizar el software LabVIEW.

Hacer un programa en LabVIEW que nos permita asociar el voltaje medido, con la temperatura real de un sistema.

Marco teórico

LabVIEW es una herramienta gráfica de prueba, control y diseño mediante la programación. El lenguaje utilizado se llama lenguaje G. Este programa fue creado por National Instruments en 1976. Los programas hechos con LabVIEW se llaman VI (Virtual Instrument), lo que da una idea de uno de sus principales usos: el control de instrumentos.Utilizaremos el ELVIS como una DAQ para conectar los valores del voltaje medidos en el potenciómetro y una computadora, para luego poder programar con LabVIEW y utilizar esos datos de entrada.

1. Sirve para especificar el dispositivo donde se encuentra la DAQ, en este caso es elNI ELVIS, el cual es llamado Dev1 por el software.2. Indica el valor de un índice específico de un arreglo.3. Condición de espera, dentro de un ciclo WHILE sirve para que este ciclo se repita dentro de un valor de milisegundos, el cual debe ser especificado por una constante (ver 13).4. Indicador visual en forma de termómetro, en este caso, el tipo de variable es I16.5. Botón de paro, ubicado en el panel frontal. Sirve para darle una entrada booleana al comando STOP del ciclo WHILE.6. Indicador de tipo DBL doble. Al darle click derecho sobre este indicador podemos elegir si este será un control, una constante o el propio indicador.7. Función matemática de la multiplicación, posee 2 nodos de entrada y uno de salida.


Principales controles utilizados

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8. Configuración del Sub-VI DMM, aquí se selecciona el tipo de medición (ver 13).9. Devuelve la lectura digital medida del Sub-VI DMM, como un arreglo, se le debe especificar la función que debe realizar (ver 14).10. Inicializador del Sub-VI DMM.11. Cierra el Sub-VI DMM.12. Constante del sistema, esta sirve para dar un número específico de referencia, puede ser usado en la función de multiplicación o en la función WAIT.13. Tipo de medición del Sub-VI DMM.14. Ciclo WHILE, esta función repite el sub diagrama que se encuentra en su interior hasta que la condición de paro es cumplida, el cual puede ser un valor booleano, controlado por un botón (ver 10.) en el panel frontal del instrumento virtual (VI) o creado por un error en el sistema. La terminal i determina el número de veces que se ha repetido el ciclo.15. Nodo de formula. Evalúa formulas matemáticas de forma similar al lenguaje C, para determinar las variables de entrada o salida se debe dar click derecho en el marco del nodo de formula y luego seleccionar añadir entrada o salida según se desee.

Modelo de una recta: definición

La recta es la línea más corta que une dos puntos. La pendiente de una recta indica el desplazamiento de la recta en el eje X por cada unidad desplazada en el eje Y, esta es calculada tomando dos puntos cualquiera de ella y haciendo una relación entre el cambio de las coordenadas entre esos puntos, la pendiente se mantiene constante.

Ecuación de la rectaPara esta fórmula se debe de conocer su pendiente y las coordenadas de uno de sus puntos.En una formula más general la ecuación está dada como:

y = mx + b

Donde: b es el valor respecto al eje Y cuando la recta intercepta a ese eje. m es la pendiente de la recta.Para poder realizar la práctica, se utilizan los valores adquiridos en la práctica #3. Primero se obtendrá la pendiente, la cual será constante en nuestro termómetro, lo que se busca es que al emplear la tarjeta de adquisición de datos, usando la sección del Multímetro Digital para medir el voltaje obtenido, el programa calcule la temperatura actual del termistor. Para obtener la pendiente usaremos el último y el primer dato de la tabla voltaje/temperatura y los sustituiremos en la formula, quedando:

Una vez que obtenemos la pendiente se colocan los datos en el programa desarrollado en el software LabVIEW. Donde el valor obtenido en el Multímetro Digital será considerado como la variable “y” en la ecuación de la pendiente.

Quedando la siguiente fórmula:


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De este modo se puede obtener una ecuación lineal que muestre la temperatura a la que se debe encuentra el termistor.

Lista de material

Tarjeta del Termistor. NI ELVIS. Software LabVIEW.

Instrucciones

En esta práctica se usara el termistor de la misma manera que lo hicimos en la práctica #3, pero ahora en lugar de medir el voltaje regulado con un vólmetro, se hará mediante una tarjeta DAQ. La tarjeta DAQ de esta práctica será el NI ELVIS y este se conecta a la PC, para luego poder manipular esa información con el software LabVIEW y obtener un programa que nos ayude a interpretar la información del sistema.1. Calibrar el multímetro virtual del NI ELVIS, para lo cual haremos lo siguiente;

a. Desconectar cualquier cosa que este sobre el protoboard del NI ELVIS.b. Unir con un cable los puertos Voltage HI y Voltage LOW del DMM ubicados en la parte inferior izquierda del protoboard del NI ELVIS.c. Encender el NI ELVIS e inicializar el programa de National Intruments para el NI ELVIS.d. Seleccionar el modulo de Digital Multimeter.e. Presionar el botón de NULL.f. Retirar el cableado de los puertos Voltage HI y Voltage LOW.g. Apagar el NI ELVIS.

2. Colocar la tarjeta del termistor sobre el protoboard.3. Abrir el documento Prac2.VI.4. Sin prender el NI ELVIS, conectar la tarjeta según muestra la figura 3.5, siendo Vo el voltaje de salida a medir y conectándolo al NI ELVIS en el pin de Voltage HI.5. Acomodar los iconos del archivo de forma que se puedan realizar fácilmente las conexiones mostradas en la fig. 3.6, se debe tener en cuenta que hay que añadir ciertos valores constantes a funciones como WAIT y la función de multiplicar.6. Realizar conexiones virtuales.7. Dentro del ciclo WHILE, el sub programa DMM READ mide el voltaje registrado en el termistor, luego este valor entra un nodo de fórmula, el cual a través de la gráfica obtenida en la primera parte de la práctica, calcula la temperatura teórica en el sistema. Este valor es enviado al indicador, el ciclo WHILE termina cuando el botón de paro es oprimido.8. Determinar por medio de constantes (int) el tiempo de espera dentro del ciclo, la fórmula utilizada en el nodo de formula que describirá el comportamiento de la gráfica de la primera parte de la práctica.9. Diseñar el panel frontal de manera que podamos ver la temperatura teórica del sistema, un indicador visual de la temperatura, y el botón de paro (stop).10. Comparar los datos obtenidos en esta práctica con los que obtuvieron en la práctica #3, y anotar si el programa medido funcionó con exactitud.


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Desarrollo de la práctica

Para el desarrollo de esta práctica opcional, se realizo primeramente la calibración del multimetro digital del NI ELVIS, presionando el botón NULL, cerciorándose de que no estuviera nada conectado al sobre la parte superior del protoboard para evitar errores.

Más tarde se monto sobre el NI ELVIS el circuito armado anteriormente en la primera parte de esta práctica, conectando correctamente los dispositivos para una lectura eficiente del multimetro digital.

Posteriormente se abrió el programa que venía acompañado con la carpeta del PDF de esta práctica, en la cual se aprecio el siguiente diagrama de bloques, así como los instrumentos virtuales:LABORATORIO DE SENSORES Y ACTUADORES PRÁCTICA #3: EL TERMISTOR

Circuito montado sobre el NI ELVIS

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Después de darle valores al diagrama de bloques, como la constante del termistor, o el “wait”, se pudo obtener una salida de voltaje, con un valor teórico de temperatura, como se muestra a continuación:

Resultados



Voltaje (Volts)

30 70 3.40 360 63 3.53360 69 3.335 390 62 3.54190 68 3.349 420 62 3.573

120 67 3.368 450 61 3.58150 67 3.383 480 61 3.6180 66 3.389 510 60 3.62210 65 3.425 540 60 3.642240 65 3.438 570 60 3.652270 64 3.46 600 59 3.67300 64 3.495 630 59 3.69330 63 3.504 660 58 3.701



Voltaje (Volts)

690 58 3.716 1860 47 4.125720 58 3.733 1890 47 4.134


Diagrama de bloques del programa

Instrumentos virtuales

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750 57 3.75 1920 46 4.137780 57 3.761 1950 46 4.145810 56 3.776 1980 46 4.149840 56 3.789 2010 46 4.156870 56 3.815 2040 45 4.165900 55 3.82 2070 45 4.169930 55 3.828 2100 45 4.172960 55 3.842 2130 45 4.182990 54 3.857 2160 45 4.186

1020 54 3.866 2190 45 4.1911050 54 3.870 2220 44 4.1971080 53 3.891 2250 44 4.2011110 53 3.907 2280 44 4.2081140 53 3.914 2310 44 4.2131170 53 3.924 2340 44 4.221200 52 3.938 2370 43 4.2231230 52 3.944 2400 43 4.2281260 52 3.957 2430 43 4.2331290 52 3.966 2460 43 4.241320 51 3.980 2490 42 4.2451350 51 3.986 2520 42 4.2471380 50 3.996 2550 42 4.2541410 50 4.004 2580 42 4.2571440 50 4.013 2610 42 4.2621470 50 4.022 2640 42 4.2701500 49 4.031 2670 42 4.2711530 49 4.043 2700 42 4.2761560 49 4.048 2730 41 4.2811590 49 4.057 2760 41 4.2841620 49 4.065 2790 41 4.291650 48 4.077 2820 41 4.2911680 48 4.08 2850 41 4.2961710 48 4.088 2880 41 4.31740 48 4.095 2910 41 4.3051770 48 4.102 2940 41 4.3091800 47 4.107 2970 41 4.3131830 47 4.118 3000 40 4.32

Como se puede apreciar, los valores de esta toma de datos son muy parecidos a los que se tomaron en el multimetro, por lo tanto sus graficas serán muy parecidas. El programa pudo haber variado por decimales, pero en general, fue muy certero, con el cual se comprueba su fiabilidad.

Conclusiones

Se concluye de esta manera que el estudiante que realiza esta práctica cumple el objetivo de mirar ambas tomas de resultados, una de la manera tradicional, y otra por medio de programación de LabVIEW. Uno llega a tomar más confianza al poder manejar correctamente el LABORATORIO DE SENSORES Y ACTUADORES PRÁCTICA #3: EL TERMISTOR

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equipo de laboratorio, y se llega a adquirir la experiencia necesaria para seguir trabajando en las demás prácticas.

Cabe mencionar que se comprobó el uso del termistor, así como las implicaciones matemáticas que conlleva, como la constante a la que está sometido, que es posible sacarla, por medio de las formulas mencionadas en el marco teórico. Por otro lado al investigar con otros compañeros que realizaron la practica con materiales diferente, se puede ver que tanto la grafica como los resultados varían, ya que la constante es diferente.

Así mismo se mejoro en el aspecto de la pericia al momento de utilizar los instrumentos de laboratorio, como el NI ELVIS, ya que gracias a ello se logro obtener resultados similares, entre la primera parte y la segunda parte, implicando el uso del LabVIEW.

Evidencia de trabajo:

Bibliografía

http://proton.ucting.udg.mx/temas/control/memo/MEMO.html

http://ayudaelectronica.com/que-es-un-termistor/


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http://labmtc.fime.uanl.mx/

http://es.wikipedia.org/wiki/Termistor


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http://labmtc.fime.uanl.mx/

El termistor con LabVIEW

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