Instrumentacion de Termoresistencias

AI

AutomatizaciónIndustrial

apuntes capítulo V

Facultad de Ingeniería - UNCPBADto. de Ingeniería Electromecánica

Prof: Dr. Gerardo Acosta

AI Automatización Industrial

• OBJETIVOS DEL CAPÍTULO V

–– Conceptos GeneralesConceptos Generales– Fuentes de error en sensores– Medición de Temperatura – Medición de Fuerza– Medición de Presión

AI Sistemas de Instrumentación

ESTRUCTURA BÁSICA

SENSOR TRANSMISOR

COMPARADORVISUALIZADORREGISTRADOR

........

MAGNITUDA MEDIR

TRANSDUCTOR

AC.DE

SEÑAL

LÍNEA DE TRANSMISIÓNDE DATOS

AI TRANSDUCTORES - Características generales

CARÁCTERÍSTICAS DE LA MAGNITUD A MEDIR

üRANGO: tiene relación con los límites superior e inferior de losvalores de la magnitud a medirü unidireccional (0kg a 100kg)ü bidireccional (-10ºC a 10ºC / -10ºC a 50ºC)ü desplazado (70mm a 150mm)

üSOBRERANGO: valor máximo de la magnitud a medir que aplicadoal transductor no afecta el normal funcionamiento del mismo.


CARÁCTERÍSTICAS ELÉCTRICAS

TRANSDUCTORMAGNITUD

A MEDIR

ALIMENTACIÓN

SALIDA

ALIMENTACIÓN / SALIDA

ü DE LA ALIMENTACIÓN2 y 4 hilos

ü DEL TIPO DE SALIDAtensión ó corriente


ü un ejemplo industrial

TRANSDUCTORDE

TEMPERATURA

magnitud a medir:TEMPERATURA

rango:0ºC a 150ºC

ICC

mA

ü rango de entrada: 0ºC a 150ºCü rango de la corriente de salida ICC: 4mA a 20mA

0mA 4mA 20mA

0ºC 150ºC

ºC


Ø RESOLUCIÓN: es la magnitud de los cambios en escalón de lasalida cuando la entrada varía continuamente dentro del rango.Se expresa en % SFE.

Ø UMBRAL: es el cambio más pequeño en la magnitud a medir,necesario para producir un cambio en la salida del transductor.Se expresa en términos de la magnitud de entrada.

Ø SENSIBILIDAD: relación en el cambio de la salida respecto delcambio en la magnitud a medir.


CARÁCTERÍSTICAS DINÁMICAS

ü RESPUESTA EN FRECUENCIA

Ø especificación: rango de frecuencias de entrada para el cual el transductor posee una respuesta “plana”, usualmente dentro de los ± 3dB.


ü TIEMPOS DE RESPUESTA

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

-3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

tiempo

salid

a

tiempo derespuesta90%

tiempo desubida

constante de tiempo

AI TRANSDUCTORES - Influencia externa

• CARACTERÍSTICAS DEL MEDIO AMBIENTE

– EFECTOS DE LA TEMPERATURA– EFECTOS DE LA PRESIÓN– EFECTOS DE LA HUMEDAD– EFECTOS DE LA VIBRACIÓN

• CARÁCTERÍSTICAS DE FIABILIDAD

– VIDA ÚTIL DE OPERACIÓN Y ALMACENAMIENTO

– SOBRECARGAS



– Conceptos Generales–– Fuentes de error en sensoresFuentes de error en sensores– Medición de Temperatura – Medición de Fuerza– Medición de Presión– Medición de Caudal

AI TRANSDUCTORES - Fuentes de error

CARÁCTERÍSTICAS DE ACTUACIÓN ESTÁTICAS

ü CURVA IDEAL

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100magnitud medida [% del rango]

salid

a [%

SFE

]


ü HISTÉRESIS

Ø especificación: máxima diferencia en la magnitud de salida, parala misma magnitud de entrada, entre dos “corridas” diferentes,una subiendo y otra bajando la variable de entrada, expresada en% SFE

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110


salid

a [%

SFE

]


ü REPETIBILIDAD

Ø especificación: máxima diferencia entre dos ciclos de calibraciónexpresada en ±% SFE

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110


salid

a [%

SFE

]


0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110


salid

a [%

SFE

]

ü LINEALIDAD TERMINAL

Ø especificación: máxima desviación de cualquier punto decalibración respecto de la curva ideal, expresada en ±% SFE


ü CORRIMIENTO DEL CERO (error de offset)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110


salid

a [%

SFE

]

Ø especificación: desplazamiento de la curva en su valor mínimo,constante para toda la curva, expresado en unidades de salida o en% SFE


ü CORRIMIENTO DEL SPAN (error de ganancia)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110


salid

a [%

SFE

]

Ø especificación: desplazamiento de la curva en su pendiente,expresado en % SFE


ü BANDA DE ERROR

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110


salid

a [%

SFE

]

Ø especificación: banda de desviaciones máximas de los valores desalida respecto de una línea especificada, debido a causasatribuibles al transductor, expresada en % SFE



– Conceptos Generales– Fuentes de error en sensores–– Medición de TemperaturaMedición de Temperatura– Medición de Fuerza– Medición de Presión

AI TERMOCUPLAS

ü PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO:EFECTO SEEBECK

Ø Si 2 conductores diferentes A y B forman un circuito unidospor sus extremos y ambos extremos se mantienen a diferentes Ta,circula una corriente proporcional al ∆T.(se hace presente una f.e.m. Termoeléctrica)

AI TERMOCUPLAS

0ºC 500ºC 1000ºC

Cobre 0 mV 6,4 mV 18,6 mVNíquel 0 mV -6,16 mV -12,11 mVChromel 0 mV 16,21 mV 34,47 mVConstantan 0 mV -20,79 mV -43,85 mV

Ta puntode medida

Material

Ø f.e.m. térmica de algunos materiales (referencia: Platino)

AI TERMOCUPLAS

ü ESQUEMA DE MEDICIÓN

Unión sensora

Unión referencia

lectura

P

N

Px

Nx

R

Ø P: material que entrega una tensión termoeléctrica positivaØ Px: conductor de características similares a P (de menor costo)Ø N: material que entrega una tensión termoeléctrica negativaØ Nx: conductor de características similares a N (de menor costo)

AI TERMOCUPLAS

Unión sensoraa Ts

Unión referencia a Tref

lectura

P

N

Px

Nx

R

TrefTsmef −≈...

Ø Tref debe permanecer constante (idealmente 0ºC)Ø si Ts es alta, Tref puede ser la Tambiente

AI TERMOCUPLAS

ü DISTINTOS TIPOS

Ø TIPO E:Chromel(+)/Constantan(-)rango continuo=700 ºCsobrecarga=1000 ºC

Ø TIPO J:Hierro(+)/Constantan(-)rango continuo=850 ºCsobrecarga=1100 ºCpara ambientes no oxidantes

Ø TIPO K:Chromel(+)/Alumel(-)rango continuo=1200 ºCsobrecarga=1300 ºCgran resistencia a la corrosión

Ø TIPO T:Cobre(+)/Constantan(-)rango continuo=300 ºCsobrecarga=450 ºCgran precisión

Ø TIPO R:Platino y Rhodio 13%(+)/Platino(-)rango continuo=1700 ºCgran resistencia a la corrosión

AI TERMOCUPLAS

AI TERMOCUPLAS

ü ASPECTOS CONSTRUCTIVOS Y DE MONTAJE

Ø aislación eléctrica con cerámicas

AI TERMOCUPLAS

Ø aislación mecánica con vainasð resisten a la corrosiónð resisten a golpes (mayor rigidez mecánica)ð resisten al impacto térmicoð perfecto selladoð aunque introducen un retardo puro

AI TERMORESISTENCIAS METÁLICAS

ü PRINCIPIOØ todo elemento conductor aumenta su resistencia eléctrica con latemperatura.Ø una relación aproximada de resistencia en función de temperatura:

)1(0 tRRt α+≅ð Rt: resistencia a la temperatura t en ºCð Ro: resistencia a 0ºCð α : coeficiente térmico de resistencia en Ω/ Ω/ºC

Ø algunos coeficientes:ð platino: 0,003925 (curva USA) - 0,003850 (curva DIN)ð cobre: 0,0043


ü GENERALIDADES

Ø gran precisiónØ gran rango: -250 a +850 ºCØ perfecta intercambiabilidadØ altamente establesØ resistente a la contaminaciónØ el más empleado es el arrollamiento de platino con 100Ωa 0ºC (PT-100)

Ø baja sensibilidadØ costo medioØ frágil para algunas aplicaciones



Ø se tienen varias configuraciones de conexionado del elementosensor:

ð dos cables:

ð tres cables:

RER1

R2

21 RRRRmR Et ++==

RER1

R2

R3

21

322

211

321

mmt

m

Em

RRR

RRR

RRRR

RRR

−=+=

++===


ð cuatro cables:

RER1

R2

R3

R4

Vm

I

I

IV

R mt =

Ø autocalentamiento:ð la corriente que atraviesa al elemento sensor genera calor en

el mismo.ð los fabricantes especifican un “factor de autocalentamiento”

(error de temperatura por mW de disipación)

[ ]

=mW

CS

º



ð arrollamiento de hilo de Pt o Ni sobre un núcleo de mica, vidrio,...ð luego de bobinado el hilo debe templarse para > estabilidad R/Tð se recubre con algún material protector


ütambién pueden envainarseü son de menores dimensiones que las termocuplas, por lo que tienen menores constantes de tiempo

AI Termoresistencias de semiconductor (termistores)

ü PRINCIPIOØ se emplean cerámicas semiconductorasØ al aumentar la temperatura, el semiconductor se torna más

conductor y decae su resistencia (NTC)Ø responden a la ecuación de Steinhart - Hart:

ð donde T: temperatura en KelvinR: resistencia del elementoA, B, C: constantes de ajuste de la curva (el fabricante debe proveerla)

3)(lnln1

RCRBAT

×+×+=

AI TERMISTORES

Ø otra ecuación menos exacta es:

ð donde T: temperatura en KelvinR: resistencia del elementoR: resistencia del elemento a T0

β: constante de ajuste (el fabricante debe darla)

Ø también se fabrican termistores con coeficiente de temperaturapositivo, aumentando la resistencia con la temperatura (PTC)

)11

(

00TTeRR

−×

×=β

AI TERMISTORES

ü GENERALIDADES

Ø más sensibles que los PT-100Ø respuesta rápidaØ valores altos de resistencia

(se desprecian las R de conexión)Ø no lo afectan los golpesØ económicosØ rango: -50ºC a +150ºC

Ø son altamente alinealesØ no son fácilmente intercambiables

AI TERMISTORES


Ø esquema de conexión:

RE

R1

R2

V

I

I

IV

R mt =

Ø autocalentamiento:ð la corriente que atraviesa al elemento sensor genera calor en

el mismo.ð los fabricantes especifican una “constante de disipación”

(potencia requerida para elevar 1ºC la temperatura del NTCpor sobre la del ambiente)

AI TERMISTORES

ü ASPECTOS CONSTRUCTIVOS Y DE MONTAJEØ existen diversos modelos

AI TERMISTORES

Ø modelos especiales de curva calibradað el fabricante garantiza, al intercambiar un termistor por

otro (del mismo modelo), un cierto error de temperatura paraun determinado rango (p.ej.: ± 0.1ºC entre 0ºC y 75ºC)

ð en general, especifica una tabla de valores

AI CIRCUITOS INTEGRADOS

ü GENERALIDADES

Ø dan salidas en I o V, perfectamente linealesØ proporcionales a temperaturas absolutas ( 1mA/K; 10mV/K )Ømás frágiles que todos los anteriores

Ø Ejemplo: AD592ð 1uA/Kð exactitud (según modelo):

0,3ºC a 1,5ºCð rango: -25ºC a 105ºCð tensión de alimentación:

4VCC a 30VCC



– Conceptos Generales– Fuentes de error en sensores– Medición de Temperatura –– Medición de FuerzaMedición de Fuerza– Medición de Presión

AI SENSORES DE FUERZA

ü PRINCIPIOØ los transductores de fuerza se basan en el sensado de la

deformación de un elemento elástico, cuando se le aplica la fuerzaa medir.Ø Parámetros básicos de diseño:

ð tamaño y formað módulo de elasticidadð sensibilidad a la deformaciónð respuesta dinámica

σ

ε

límite elástico

AI SENSORES DE FUERZA

Ø elementos básicos de sensado de deformación:

ð vigas

ï anillos

ð columnas

ð diafragmas

AI GALGAS EXTENSIOMÉTRICAS

ü PRINCIPIOS

Ø dispositivo formado por un hilo conductor o semiconductor quesensa deformación mediante cambio de resistencia del hilo

Ø su sensibilidad se determina por el FACTOR DE GALGA:

εRR

LLRR

GF∆

=∆∆

=

Ø dondeð GF: factor de galgað ∆R/R: cambio unitario de resistenciað ∆L/L: cambio unitario de longitudð ε: deformación



Ø Puente de Wheastone desbalanceado:

R2 R3

R1 RG

VoVi

2

4

2

4

])(

[

][

12

12

21

2

3

32

21

2

3

31

+−

−×=

∆

+−

−=

∆+

−∆++

×=

+−

+×=

VoVoVi

GFLL

VoVoViR

R

RRR

RRRR

ViVo

RRR

RRR

ViVo

G

G

GG

G

ð R1 puede ser una galga idénticaa RG para compensación por temperatura



Ø existen diferentes formas:

ñ un eje ñ dos ejes ñ torsión


Ø especificaciones más importantes:ð resistencia nominalð factor de galgað dimensionesð temperatura de servicio

Ø montaje: ð de tipo permanente ð perfectamente solidario al cuerpo sensorð existen pegamentos y otros accesorios especiales

ð deformación máximað sensibilidad en otros ejes

AI CELDAS DE CARGA

ü GENERALIDADES

Ø transductores de fuerza con galgas extensiométricas comoelemento sensor

Ø tienen incorporado un puente de Wheastone

ðRZA: ajuste de cero ðRZC: compensación térmica en

ceroðRSA: ajuste de sensibilidadðRSC: comp. térmica de

sensibilidadðR1-R4: galgas

AI CELDAS DE CARGA

ü ESPECIFICACIONES MÁS IMPORTANTES

Ø rango de medición (Fr)Ø sensibilidad: relación entre la tensión de salida a

plena escala y la tensión de alimentación

Ø linealidadØ histéresisØ repetibilidadØ rango de temperatura de trabajo con

compensación de temperaturaØ tensión de alimentaciónØ sobrecarga segura

FrFx

VsVs CC ××=

AI CELDAS DE CARGA

ü ASPECTOS CONSTRUCTIVOS

Ø diferentes modelos:



– Conceptos Generales– Fuentes de error en sensores– Medición de Temperatura – Medición de Fuerza–– Medición de PresiónMedición de Presión

AI SENSORES DE PRESIÓN

ü GENERALIDADESØ los transductores de presión poseen un elemento mecánico que se

desplaza a partir de la aplicación de una presiónØ básicamente se distinguen cuatro configuraciones de medición:

Presión

Absoluta

Presión

Relativa

Presión

Diferenc

ial

Presión

Diferenc

ial

c/ refe

rencia

interna


Ø elementos sensores de presiónDiafragma

Cápsula

Fuelle


Tubo de Bourdon Tubo de Bourdonhelicoidal

Tubo de Bourdonespiral

AI MANÓMETROS

ü MANÓMETROS

AI TRANSDUCTOR DE PRESIÓN

ü TRANSDUCTOR DE PRESIÓN CAPACITIVO (de tipo industrial)


ü TRANSDUCTOR DE PRESIÓN INTEGRADO(aplicaciones biomédicas e industriales)

Instrumentacion de Termoresistencias

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