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DEPARTAMENTODECIENCIASDELAENERGIAYMECANICALaboratoriodeInstrumentacinIndustrialMecnica

LaboratoriodeInstrumentacinMecatrnica2

Elaborado:LuisEcheverraY. Pg.1of8

1. Tema:Comportamientodesensoresresistivosdetemperatura.2. Objetivos:

a. OperacinycaractersticaestticadetermistoresyRTDs

3. Teora.

Compuestodeunamezclasintetizadadexidosmetlicos,eltermistoresesencialmenteunsemiconductorque se comporta comoun "resistor trmico" conun coeficiente trmicodetemperaturanegativodevalormuyelevado.Los termistores tambin se pueden encontrar en el mercado con la denominacin NTC(NegativeTemperatureCoeficient)habiendocasosespecialesdecoeficientepositivocuandosu resistencia aumenta con la temperatura y se los denomina PTC (Positive TemperatureCoeficient).Enalgunoscasos,laresistenciadeuntermistoralatemperaturaambientepuededisminuirenhasta6%porcadaCdeaumentodetemperatura.Esta elevada sensibilidad a variaciones de temperatura hace que el termistor resultemuyadecuado para mediciones precisas de temperatura, utilizndoselo ampliamente paraaplicacionesdecontrolycompensacinenelrangode150Ca450C.El termistor se fabricaapartirdexidosmetlicos comprimidosy sintetizados. Losmetalesutilizadossonnquel,cobalto,manganeso,hierro,cobre,magnesioytitanio,comotpicassepuedenconsiderarlaspreparacionesdexidodemanganesoconcobreyxidodenquelconcobre. Modificando las proporciones de xido se puede variar la resistencia bsica untermistor;sedisponedetermistoresconresistenciasbsicasa25Cdesdeunospocoscientoshastavariosmillonesdeohms.Lostermistoressirvenparalamedicinodeteccindetemperaturatantoengases,comoenlquidos o slidos. A causa de su muy pequeo tamao, se los encuentra normalmentemontados en sondas o alojamientos especiales que pueden ser especficamente diseadosparaposicionarlosyprotegerlosadecuadamentecualquieraseaelmediodonde tenganquetrabajar.

EcuacindeunNTC

Se los puede adosar fcilmente o montar con tornillos, ir roscados en superficies ocementados.Los alojamientos pueden ser de acero inoxidable, aluminio, plstico, bronce u otrosmateriales.Lasconfiguracionesconstructivasdeltermistordeusomscomnsonlosglbulos,lassondasy losdiscos.Losglbulossefabricanformandopequeoselipsoidesdematerialdetermistorsobredosalambresfinosseparadosunos0,25mm.Normalmenterecubiertosconvidrioporrazonesdeproteccin, sonextremadamentepequeos (0,15mma1,3mmdedimetro) yofrecenunarespuestaextremadamenterpidaavariacionesdetemperatura.




Lassondassonglbulosconconductoresdeextensinselladosdentrodepuntasdevarillasdevidrioslidascondimetrosde0,76mma2.54mmylargosde6,3mma50mm.Lassondasdevidrioresultanporlogeneralrobustasymsfcilesdemontarquelosglbulosperotienenunamayorconstantedetiempoyrequierenmsespacio.Losdiscossefabricanprensandoelmaterialbajounapresindevariastoneladasdentrodeunmolde redondo, logrndose piezas cilndricas planas. Resultan tiles para las sondas demedicindetemperaturaensuperficiesdondesedebensensarunrearelativamentegrande.

CaractersticasEncomparacincon lastermocuplasy lastermorresistencias,eltermistornoofreceventajasde exactitud de salida y estabilidad. Posiblemente, una ventaja importante est en laextremadamenteelevadasensibilidaddeltermistoravariacionesdetemperatura.Los termistoresNTCposeenelevadas resistencias abaja temperatura,pero sus resistenciasdisminuyen exponencialmente a medida que crece la temperatura. Por el contrario, lasresistencias de losmetales como ser platino, nquel y cobre aumentan linealmente con latemperatura.Lostermistoresnosirvenparalamedicindetemperaturadentrodealcancesampliospuestoquesusvariacionesde resistenciasondemasiadograndesparaquepuedanmedirsedeunamanera adecuada con un solo instrumento; alcances de alrededor de 100K suelen ser lomximoadmisible.Lostermistoresresultanparticularmentetilesparamediralcancesreducidosdetemperaturajustamenteacausadesusgrandesvariacionesderesistencia;porejemplo,laresistenciadeuntermistortpicovara156de0Ca1C,mientrasladelplatinovaratanslo0,385.Laelevadaresistenciadelostermistoresnoslohaceaumentarlasensibilidad,posibilitandolamedicindealcancesreducidosdetemperatura,sinotambinpermite laconexinbifilar.Laresistencia del alambre de conexin y los efectos de la temperatura ambiente sondespreciablessiseloscomparaconlaresistenciadeltermistorylasvariacionesderesistencia.La estabilidad del termistor es una de las caractersticas que estn bajo estudio.Recientementeeshadesarrolladouna tcnicadedeposicinelectrnicade radiofrecuencia




queproducesensoresdeSiCdepelculadelgadaadecuadosparatemperaturasentre100Cy450C ysedicenquesufrenuncambioderesistenciamenordel3%luegode2.000horasa400C.La linealidad es otra rea donde se registran importantes avances. Actualmente se estfabricando un termistor que puedemantenerse lineal dentro de 0,5 C desde 65C hasta200C. La especificacin es estrictamente vlida slo para potencia cero, puesto que losproblemasdedisipacindecalorinterfierenconeldedesempeo,peroelfabricantesostienequeloserroressonmnimosalosnivelesprcticosdecorrienteytensin.La linealizacin tambin puede obtenerse mediante un diseo adecuado del circuito demedicin. La linealizacin digital suele ser considerada efectiva para la mayora de lostermistoresconunrangodetrabajonomayora1000.Paralossistemasanalgicosoperalossistemas digitales que se estima funcionarnms all de ese rango, la practica normal esemplearunresistorsecundarioenparaleloconeltermistordeformadelinealizarloytambinpoderhacerlointercambiableconsensoresdelmismotipo.Conestasolucin,porlogeneral,sucoeficientedetemperaturadecrecemuchsimo,perosinllegaralosvalorestpicosdeunatermorresistenciametlica.En lasaplicacionesdemedicinycontroldetemperatura,eltermistorseusa,generalmente,como uno de los brazos de un puente Wheatstone convencional. Este tipo de circuitosuministraunamximasensibilidad.Paraaumentarlosnivelesdesalidadelpuente,sepuedeinsertarunamplificadorentrelasalidadelpuenteyelinstrumentoindicadorodispositivodecontrol. Este dispositivo es el que tambin se utiliza en el caso de las termorresistenciasmetlicas.

DiseoEldiseodelostermistoresimplicaconsiderarlosaspectosmecnicosofsicos,porunlado,yloselctricosporelotro.ConsideracionesmecnicasofsicasLasespecificacionesmecnicasserefierena:




Tamao y configuracin adecuados para el uso previsto, como ser el mtodo demontajeelelementosensorexpuestooencerrado,terminacin,etc.,loque,asuvez,determinalaconstantededisipacinylaconstantedetiempo.

Material a utilizarse para la construccin del conjunto sensor del termistor, lo cualdependedelmedio(comoseraire,agua,aceite,etc.), longituddeexposicinymediocorrosivo,nivelesdechoque,vibracinyhumedad,temperaturadeoperacinyrangodetemperatura,presindelmedioalquesehallaexpuestoeltermistor,etc.

Todasestasconsideracionesson lasmismasquesedebentenerencuentapara loscasosyavistosdetermocuplasytermorresistencia.Consideracioneselctricas.Las consideraciones elctricas se refieren en forma somera a aquellas caractersticasdeuntermistorquepuedendeterminarsemedianteunensayoelctrico.

Laresistenciaylatoleranciaaciertatemperaturadereferencia. Laconstantededisipacin,queeslapotencia,generalmenteenmWqueharsubirla

temperaturadeltermistor1Cporencimadelatemperaturaambiente;estaconstantequedadeterminadaenciertamedidaporel tipoy tamaodel termistorutilizado,yporelmtododemontaje.

La constantede tiempo,queesel tiempo,en segundos,paraque todoel conjuntocambie supropia temperaturaun63%decomo loharaapartirde su temperaturaoriginalhastaalguna temperatura finalalestarsometidoaunavariacinescalndetemperatura;tambinquedadeterminadoenciertamedidaporeltipoytamaodeltermistorutilizado,yporelmtododemontaje.

Elcoeficientedetemperaturaolavariacinderesistenciaporcadagradodevariacindetemperaturadeltermistor.

Seleccin.En lasaplicacionesdemedicinycontrolde temperatura, laseleccindeunaresistenciadetermistoradecuadageneralmentedependedelassiguientesconsideraciones:Alcancedetemperatura.Por logeneral, laresistencianominaldeuntermistorseelige fundamentalmenteenbasealalcance de temperaturas de operacin. Mayores valores de resistencia corresponden atemperaturasmselevadas,mientraslasbajastemperaturasrequierenmenoresresistencias.Valoresderesistenciaenlosextremosdelalcancedetemperatura.Sedebenconsiderarlossiguientesfactores:

Antesquenada,si lacurvadeltermistorserpositivaonegativa(PTCoNTC).Por logeneraly sudifusin lo confirma,en lamedicinde temperaturas seutilizaelNTC,salvoparacasosdecompensacindealgunavariableaqueforzosamentedebaserdecaractersticaPTC.Entoncesconsiderandoun termistorNTC, losotrosdos factoresaconsiderarson:

o Laresistenciamximaabajastemperaturasnodebeserdemasiadoaltaparapoder satisfacer las necesidades de los circuitos asociados como ser




amplificador,lectura,etc.Silaresistenciaabajastemperaturasesmuyalta,sedebeconsiderar laposibilidaddecaptacindesealesespurias.Siporotrasrazonesesnecesariaunaelevadaresistenciaylacaptacinesunproblema.seaconsejautilizarlneasblindadas,filtrosyalimentacinCC.

o La resistenciamnimaaelevadas temperaturasnodebe serdemasiadobajapara poder satisfacer las necesidades del amplificador, lectura, etc. Si laresistencia a elevadas temperaturas es demasiado baja, se deben tener encuenta los posibles errores debidos a las resistencias de contacto, a laresistenciade lneaya lavariacinde laresistenciade lneaparavariacionesdelatemperaturaambiente.

Sensibilidad.Lamayorade lasaplicacionestienenunatoleranciaexpresadaenunidadesdetemperatura.En cambio, los termistores suelenespecificarseen trminosde toleranciade resistencia.Esunacaractersticadelostermistoresqueunatoleranciaderesistenciafijasobreunalcancedetemperaturaseaequivalenteaunatoleranciadetemperaturaqueesmenorenelextremodetemperaturasbajasymayorenelextremodetemperaturasaltas.Autocalentamiento.La potencia (PR) disipada en el termistor har subir su temperatura por encima de laambiente.Elincrementodetemperaturaesunafuncindirectadelaconstantededisipacindeltermistorconsumontajedentrodelmedioambientedondeopera.Aplicaciones.Segnlautilizacin,puedenencontrarseenelmercadotermistoresconvaloresentre100y30K,losdeusomsfrecuenteseencuentranenlafranjaentro1Ky5K.Dentrodeestosvalores,talcomosemencionanteriormente,noinfluyenlospequeosvaloresderesistenciacorrespondientesalosconductoresdeextensinolospropiosdeltermistor.El rango de temperatura de usoms difundido es entre 50C y 200C, a pesar de haberalgunosquealcanzanlos450C.Su aplicacinms frecuente es como sensor de temperatura paramediciones rpidas ensondas manuales que acompaan a los termmetros porttiles electrnicos, hoy msdifundidos.Sudesventajaessufaltadeestabilidadeneltiempoysugrandispersinencomparacinconlastermorresistencias,quepuedenfabricarseconvaloresderesistenciasuperiores(Pt500yPt1000), mayores exactitudes y valores normalizados universalmente que garantizan suintercambiosincalibracinprevia.Laventajamsimportanteessupequeamasa,loquepermitevelocidadesderespuestamuyaltas4. Trabajopreparatorio.

a. Consultelascaractersticasdeuntermistorcomercialdedisco.b. Expliquedetalladamentelaaplicacindeuntermistortipodisco.

5. Equiponecesario.

a. Uncontenedorplstico.




b. Unaresistenciadecalentamientode0.5.c. UnacondicionadordetermocuplaNiCrNi.d. UnainterfaceUSB.e. UnatermocupladeinmersinNiCrNi.f. UnRTDPt100.g. Dostermistores.h. UnatermocupladeCromelAlumel(TipoK).i. Unmultmetro.j. Piezadesoporteparasensores.k. PapelotelaabsorbentequeUd.debetraer.

6. Procedimiento.

LEAESTOCUIDADOSAMENTEANTESDEINICIAR

Enestaprcticadebe tenerexcesivo cuidadoporquevamosamanipularagua.Sielagua sederrama sobre los elementos electrnicos podr causar un cortocircuito que daarairreparablementeestosdispositivos.Comoelaguaalfinaldelamedicinalcanzalos56C,hayriesgo de que se queme si no la manipula con cuidado. Por lo tanto Ud. Es responsable demanipularcorrectamenteloselementosdeestaprctica.

a. Llenarelcontenedordeplsticohastalalneasealadaenrojo.Sequebienelcontenedorantesdecontinuarconelpapelolatelaabsorbente.

b. Colocarlaresistenciadecalentamiento.NOLACONECTETODAVIA.c. ColoquelatermocupladeinmersinjuntoalatermocuplatipoK,enelsoportede

sensores.d. ConectelatermocuplatipoKalmultmetro.e. Conecteeltermistordeinmersinalacondicionadordetermocuplasylosdosal

interfaceUSB.ArranqueelprogramaMEASUREdePHYWE,dandodobleclicksobreeliconoenelescritorio.

f. Calibreconunpunto,desernecesario,latermocupladeinmersin.Pidaindicacionesparaesteprocedimiento.

g. DesconectemultmetroyguardeeltermistortipoK.h. Coloqueeltermistorpequeodediscojuntoalatermocupladeinmersin,enel

soporte.Conecteeltermistoralmultmetroenmodalidaddemedicinderesistencia(Rangode20K).ENCIENDALARESISTENCIA,tomedatosyanoteenlatabladeresultados.

i. Vacecuidadosamenteelaguacaliente,yvuelvaallenarelenvaseconaguaatemperaturaambiente.Sequebienelcontenedorantesdecontinuarconelpapelolatelaabsorbente.

j. Coloqueeltermistorgrandedediscojuntoalatermocupladeinmersin,enelsoporte.Conecteeltermistoralmultmetroenmodalidaddemedicinderesistencia(Rangode2K).ENCIENDALARESISTENCIA,tomedatosyanoteenlatabladeresultados.




k. Vacecuidadosamenteelaguacaliente,yvuelvaallenarelenvaseconaguaatemperaturaambiente.Sequebienelcontenedorantesdecontinuarconelpapelolatelaabsorbente.

l. SujeteconsusmanoselRTD,juntoaltermistordeinmersin(nolosujetealsoportedesensoresporqueeldispositivoesmuypesado)ConecteelPT100almultmetroenmodalidaddemedicinderesistencia(Rangode200).ENCIENDALARESISTENCIA,tomedatosyanoteenlatabladeresultados.

7. Informedelaboratorio.Enelinformedelaboratoriohayqueincluir,ademsalospuntos

comunesdelinforme,losiguiente:a. Losvalorestomadosdelexperimentoyelclculodelavelocidad.b. Conqueotrossensorespodraensamblartacmetros.




HOJADERESULTADOSGUIAK GRUPONo:

Integrantes:

Temperatura Termistorpequeo Termistorgrande PT100C

20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54 56

Revisado:___________________________