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Tema 5: Concepto de Tema 5: Concepto de TemperaturaTemperatura

La La temperaturatemperatura es una de las magnitudes mensurables más importantes es una de las magnitudes mensurables más importantes Históricamente: pasos para definir una escala de Tª

GalileoGalileo al reconocer que al reconocer que era una magnitud mesurable (fluía de un (fluía de un cuerpo caliente a uno frío)cuerpo caliente a uno frío) Gabriel FahrenheitGabriel Fahrenheit (1686(1686--1736) perfecciona el termómetro de 1736) perfecciona el termómetro de mercurio graduándolo con dos puntos fijosmercurio graduándolo con dos puntos fijos

Temperatura de una mezcla de agua, hielo y cloruro de amonioTemperatura de una mezcla de agua, hielo y cloruro de amonio La temperatura de la sangre humanaLa temperatura de la sangre humana

Anders CelsiusAnders Celsius (1742) propuso como referencia(1742) propuso como referencia Los puntos de fusión y ebullición del aguaLos puntos de fusión y ebullición del agua denominó 100denominó 100ºCºC y 0y 0ºCºC Estas denominaciones se invirtieron para dar lugar a la actual eEstas denominaciones se invirtieron para dar lugar a la actual escala scala

Celsius (Denominada así desde 1948)Celsius (Denominada así desde 1948)

A principios del siglo XIX: A principios del siglo XIX: WiliamWiliam ThomsonThomson desarrolló una escala de desarrolló una escala de temperaturas basada en la temperaturas basada en la TermoDinámicaTermoDinámica (coeficiente de expansión (coeficiente de expansión de los gases ideales)de los gases ideales)

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Tema 5: Escalas de Tema 5: Escalas de TemperaturaTemperatura Tª de un objeto: es una medida de su energía

Propiedad que determina si está en equilibrio térmico con su amPropiedad que determina si está en equilibrio térmico con su ambientebiente Si transcurre un tiempo necesario el objeto llegará al equilibrSi transcurre un tiempo necesario el objeto llegará al equilibrio térmico io térmico y cesarán las transferencias de calory cesarán las transferencias de calor

Escalas absolutas de Tª de un objeto: asignando valores numéricos de: Posición del cero: se asigna T=273.16 K al estado en el que hay equilibrio entre las tres fases s, l, g del agua la energía térmica es nula Tamaño de la unidad de medición:

Grado Kelvin (Tª de fusión y ebullición del agua difieren 100 K) Sistema Internacional

Grado Rankine (Tª de fusión y ebullición del agua difieren 180 R) T (K)=(100/180) T(R)

Escalas relativas de Tª de un objeto: Posición del cero : T(C)=T(K)-273.15 , la cantidad de energía de un grado Celsius y uno Kelvin es la mimaTambién la cantidad de energía de un grado Fahrenheit y Rankine es la misma, pero T(F)=T(R)-459.6 La equivalencia: T(F)=1.8 * T(C)+32

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La Temperatura no se mide directamenteLa Temperatura no se mide directamente se observan sus efectos:se observan sus efectos: La expansión de un líquidoLa expansión de un líquido El cambio en una resistencia, etc.El cambio en una resistencia, etc.

Sensores de Sensores de TemperaturaTemperatura Resistivos: (: (ResistanceResistance TemperatureTemperature DetectorsDetectors) ) RTDsRTDs

Uso muy frecuente: cubren un rango de Uso muy frecuente: cubren un rango de TªTª de de -100 ºC a a + 800ºC, gran gran precisión y repetibilidad: precisión y repetibilidad: Principalmente de dos tipos:Principalmente de dos tipos:

RTDs Metálicos ((más precisos y más establesmás precisos y más estables)) RTDsRTDs Semiconductores o Semiconductores o Termistores ((son más baratos y más sensiblesson más baratos y más sensibles))

Termoeléctricos o termopares: o termopares: Efecto Efecto SeebeckSeebeck, , PeltierPeltier y y ThomsomThomsom((más versátilesmás versátiles)) Sensores de temperatura Sensores de temperatura basados en dispositivos electrónicos

integrados diodos (uniones p-n)

De estos diferentes sensores de temperatura son muy diferentes:De estos diferentes sensores de temperatura son muy diferentes: El rango de medida, la precisión, la facilidad de uso El rango de medida, la precisión, la facilidad de uso La mejor elección dependerá de la aplicación y del rango de Tª

Tema 5: Sensores de Tema 5: Sensores de TemperaturaTemperatura

Necesario estudiar la linealidad del efecto

observado

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Tema 5: Sensores de Tema 5: Sensores de TªTª Resistivos:RTDsResistivos:RTDs

Sensores de Sensores de Temperatura resistivos: Temperatura resistivos: RTDs metálicos PRINCIPIO FISICO: los átomos del metal vibran al aumentar la : los átomos del metal vibran al aumentar la TªTª

aumenta la probabilidad de colisión de los electrones aumenta la probabilidad de colisión de los electrones su su resistencia (al resistencia (al alal paso de corriente eléctrica) aumenta con la paso de corriente eléctrica) aumenta con la TªTª

Métodos para Métodos para convertir los valores de Resistencia a Tª Consultando una Consultando una tabla y transformando la correspondiente R y transformando la correspondiente R se utiliza en se utiliza en programas de software no sirve en medidas a tiempo realprogramas de software no sirve en medidas a tiempo real La utilización de una La utilización de una ecuación polinómica. La dependencia de R con la . La dependencia de R con la TªTªpara la mayoría de materiales utilizadospara la mayoría de materiales utilizados

1. R0 es el valor de resistencia a T=0)2. El número de variables ai depende del material

(Coeficientes de Callendar-Van Dusen)3. Si T aumenta R aumenta

AlR

AA

ll

RR

... 33

2210 1 TaTaTaRR

+tºSímbolo para una R con dependencia intrínseca de Tª y variación lineal

se considera que las deformaciones longitudinales (l) y de área (A) son despreciables el efecto principal se manifiesta a través de cambios en

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Tema 5: Tema 5: RTDsRTDs metálicosmetálicos Los materiales más utilizadosLos materiales más utilizados requieren al menos requieren al menos aa11, y a, y a22 para para una representación correcta de la resistenciauna representación correcta de la resistencia El Platino (Pt): El Platino (Pt): a1 =3.90 10-3 K; a2 =-5.83 10-7 K2

Es el más utilizado (el más lineal): PTD El Níquel (Ni)El Níquel (Ni) El Cobre (Cu)El Cobre (Cu)

La construcción de un RTD metálicoLa construcción de un RTD metálico diferentes técnicas:diferentes técnicas:

1. 1. La configuración clásica RTD consta de:La configuración clásica RTD consta de: Un cable de Platino de longitud Un cable de Platino de longitud LL arrollado sobrearrollado sobre Una bobina de cristal o cerámicaUna bobina de cristal o cerámica

2. 2. Otra configuración se construye:Otra configuración se construye: depositando una película conductora sobre un depositando una película conductora sobre un substrato no conductorsubstrato no conductor

En ambos casos, finalmente se encapsula en En ambos casos, finalmente se encapsula en un material protector y se incluyen los un material protector y se incluyen los conectores para realizar las tomas de conectores para realizar las tomas de temperatura (temperatura (thermocouplethermocouple probesprobes))

Hasta 650ºC: a1 T> 10 a2 T2

Keithley.Instruments, 2001

J. Turner, et al. 1999

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Tema 5: Tema 5: RTDsRTDs metálicosmetálicos Las Las limitaciones de los de los RTDs metálicos No se pueden medir No se pueden medir TªTª próximas ni superiores a la próximas ni superiores a la TªTª de fusión del conductorde fusión del conductor

Para medir una Para medir una TªTª el sensor debe estar a esa el sensor debe estar a esa TªTª posible posible autocalentamientoautocalentamiento Es muy importante el coeficiente de disipación de calor: Es muy importante el coeficiente de disipación de calor: ((mWmW/K)/K)

La posible La posible presencia de deformaciones mecánicaspresencia de deformaciones mecánicas ( ( galgas extensiometricas))provocan también un cambio en R provocan también un cambio en R

Las Las ventajas de los de los RTDs metálicos La sensibilidad es 10 veces superior a los La sensibilidad es 10 veces superior a los termopares, Alta repetibilidad Exactitud en el caso del Pt Bajo coste en el caso del Cu, Ni

En el rango lineal, la variación de R :

TaRR 10 1

0

0

TRRR

RdTdRTRC

/ CR

RRTRCºº

ººº 20

110

CRRRTRCºº

ººº 2100

99101100

Para materiales con TRC lineales se define un valor promedio (por ejemplo entre 0º y 100º C)

Coef. de Tª de la Resistencia (TCR) o sensibilidad relativa

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Tema 5: Tema 5: RTDsRTDs metálicosmetálicos Ejemplos de de RTDs metálicos

J. Turner, et al. 1999

Para los RTDs de Pt se han emitido especificaciones internacionales de las características deben cumplir: Norma IEC-751El más importante es el Pt 100

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Tema 5: Tema 5: RTDsRTDs metálicosmetálicos

www.lakeshore.com

Norma IEC-751

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Tema 5: Tema 5: RTDsRTDs metálicosmetálicos

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Norma IEC-751

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Tema 5: Tema 5: RTDsRTDs metálicosmetálicos Tipos de de RTDs metálicos

Existen diferentes terminaciones: helicoidales de libre deformacExisten diferentes terminaciones: helicoidales de libre deformación para ión para aplicaciones de laboratorio, industriales, etc.aplicaciones de laboratorio, industriales, etc.

www. omega.com

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Tema 5: Tema 5: RTDsRTDs metálicosmetálicos

Tipos de de RTDs metálicos RTDsRTDs de película delgadade película delgada

www.omega.com

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Para medir la resistencia del RTD para luego convertirla a Tª DebemosDebemos un RTD a un DMM : se utilizan puentes de Wheatstone Al igual que en multímetros, se utiliza la configuración de medida en cuatro hilos para que las resistencias del cableado no den lugar a error

Conociendo el valor de RTD y el coeficiente TCR se obtiene la Tª

Tema 5: Tema 5: RTDsRTDs metálicosmetálicos

RTD

M

IVRTD

Puente con dos-hilos y RTD Puente con 4-hilos y RTD

Keithley. 2001 Keithley. 2001

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Tema 5: Tema 5: RTDsRTDs metálicosmetálicos

Aplicaciones de Aplicaciones de RTDs metálicos La aplicación inmediataLa aplicación inmediata medida de temperaturasmedida de temperaturas W. Siemens en 1871 propuso el Pt para esta medida y se continúa empleando para rangos de Tª de -182.96ºC hasta 630.74 ºCEn aplicaciones donde el Pt resulte caro, se emplea el Niquel o el Wolframio a Tª elevada Los RTDs de película fina son más económicos que los de bobinado Aplicaciones industriales múltiples:

Automóviles: Tª del aire de entrad al motor, Tª del habitáculo (para el aire acondicionado, las sondas en los parachoques miden la temperatura de la carretera o presencia de hielo)

Múltiples aplicaciones en electrodomésticos Edificios y fábricas: medidas para controlar el consumo de agua caliente, medir la Tª

de gases en chimeneas, combustiones de calderas, etc. También es posible con También es posible con RTDsRTDs de Pt medir la velocidad de un fluido en lo de Pt medir la velocidad de un fluido en lo que se denomina la que se denomina la anomometríaanomometría de hilo caliente. de hilo caliente.

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Tema 5: Tema 5: RTDsRTDs semiconductores: semiconductores: TermistoresTermistores Sensores de Sensores de Temperatura resistivos: Temperatura resistivos: RTDs semiconductores

o termistores (thermistor: thermally sensitive resistor) Son sensores Son sensores basados en dispositivos semiconductores pasivosbasados en dispositivos semiconductores pasivosVentajas de los de los Termistores comparados con los comparados con los RTDs metálicos

Son sensores Son sensores más pequeños que los que los RTDsRTDs metálicos metálicos Por tanto responden a pequeños cambios de temperaturaPor tanto responden a pequeños cambios de temperatura Son Son relativamente frágilesrelativamente frágiles

Ofrecen un Ofrecen un rango de valores de resistencia más amplios: desde : desde kk -- MM Comparados con los Comparados con los RTDsRTDs metálicos, el metálicos, el TCR es elevado es elevado mayor cambio mayor cambio en en TªTª por grado por grado ºCºC.. No son necesarias las técnicas de instrumentación con hilos paraNo son necesarias las técnicas de instrumentación con hilos para la medidala medida Pueden utilizarse entradas de instrumentos de elevada gananciaPueden utilizarse entradas de instrumentos de elevada ganancia

Desventajas/limitaciones de de Termistores frente a los frente a los RTDs metálicos Son dispositivos que se utilizan para Son dispositivos que se utilizan para TªTª baja: baja: --50 50 ºCºC hasta 150 hasta 150 ºCºC

Rango de temperaturas pequeñoRango de temperaturas pequeño comparado con comparado con RTDs metálicos y y termopares Su respuesta es muy poco lineal No están tan estandarizados como los RTDs metálicos y y termopares

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Tema 5: Tema 5: RTDsRTDs semiconductores: semiconductores: TermistoresTermistoresClasificación de Termistores según al coeficiente de temperatura (TCR) :

Positivo:sePositivo:se denominan denominan PTCs(Positive (Positive TemperatureTemperature CoeficientCoeficient))

Negativo: se denominan Negativo: se denominan NTCs((NegativeNegative TemperatureTemperature CoeficientCoeficient))

PRINCIPIO FISICO: se basan en la dependencia de la : se basan en la dependencia de la resistencia de los semiconductores con la con la TªTª Al aumentar la Al aumentar la TªTª aumenta el nº de aumenta el nº de portadores portadores se reduce la se reduce la se reduce la se reduce la R TCR negativo

Si el semiconductor está muy dopado el SC adquiere propiedades metálicasy en un margen de Tª limitado muestra (como un RTD) un TCR positivo

+tºPTC

-tºNTC

AlR

nql

1

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Tema 5: Tema 5: RTDsRTDs semiconductores: semiconductores: TermistoresTermistoresMétodo para Método para convertir los valores de Resistencia de Termistores a Tª

NTCs: en un margen de Tª reducido (50ºC), la dependencia se puede considerar de tipo exponencial ::

1. R0 es el valor de resistencia aT=25ºC u otra T de referencia

2. T0 = esa Tª de referencia en K3. B = Tª característica del material

(toma valores entre 2000 K- 5000 K) 4. B = no es totalmente constante con el material 5. Si T aumenta R disminuye

-tº

NTC

00 11 TTBRRT //exp

Variación con Tª de R de diversos termistores NTCs

J. Turner, et al. 1999. (Documentación Thermometrics)

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Tema 5: Tema 5: RTDsRTDs semiconductores: semiconductores: TermistoresTermistoresPor analogía con los RTDs, en los NTCs se puede definir::

TRC TRC o sensibilidad relativa indica la variación relativa de la resistencia con la indica la variación relativa de la resistencia con la TªTª Este TRC no es constante en un Este TRC no es constante en un termistor

Como .R0 no es constante el sensor es no lineal: no se ha conseguido normalizar curvas de termistores del modo realizado con RTDs o termopares

Hay una gran dispersión entre precios y resultados de diferentes fabricantes

A T=25ºC y con B=4000 K, resulta que =-4.5 %/K sensibilidad 10 veces superior a la del RTD PT100

-tºNTC

00 11 TTBRRT //exp

2TB

RdTdRTRC

/

Coef. de Tª de la Resistencia (TCR)

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Tema 5: Tema 5: RTDsRTDs semiconductores: semiconductores: TermistoresTermistores

Los fabricantes que han conseguido desarrollar un buen proceso Los fabricantes que han conseguido desarrollar un buen proceso de fabricación de fabricación Proporcionan tablas y figuras muy detalladas de R=f(T) Generalmente, también especifican el máximo margen error del Termistor con

respecto a la tabla.

http://www.hispavila.com/3ds/tutores/divstension.html#Sensores_de_temperatura

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Tema 5: TermistoresTema 5: Termistores Tipos de de RTDsRTDs semiconductores o semiconductores o Termistores con NTC

Distintas formas de los Termistores NTC

J. Turner, et al. 1999 (cortesia de Fenwal Electronics)

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Tema 5: TermistoresTema 5: Termistores Acondicionamiento de la señal para para Termistores con NTC Al presentar un coeficiente TCR elevado, no son necesarias configuraciones sensibles: puentes El montaje experimental standard El cálculo de la resistencia a través de la ley de Ohm

Circuitos de Termistores con 4 hilos

Circuitos de Termistores con 2 hilos

Keithley. 2001

Keithley. 2001

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Linealización de de Termistores con NTC A veces se usa el NTC como un sensor linealizado utilizando una resistencia R en paralelo:

RO=25 K y B=4000 K

De esta manera, la variacióncon la temperatura se puede elegir de modo que :

Tema 5: Tema 5: TermistoresTermistores

NTClinealizado

-tº

RT

R

00 11 TTBRRT //exp

KR 518.J. Turner, et al. 1999

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Tema 5: Tema 5: RTDsRTDs semiconductores: semiconductores: TermistoresTermistores Método para Método para convertir los valores de Resistencia de Termistores a Tª

PTCs dos tipos :

PTCs cerámicos: cambio brusco de Tª cuando se alcanza la Tª de Curie: PositoresAplicaciones de protección térmica a motores, transformadores

PTCsPTCs de silicio dopadode silicio dopado: variación más suave con la temperatura: : variación más suave con la temperatura: Silistores

+tºPTC

Característica resistencia-Tª de (a) un PTC (positor); (b) silistor

El uso de PTCs es

más restringido

que el de NTCs

J. Turner, et al. 1999

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La Temperatura no se mide directamenteLa Temperatura no se mide directamente se observan sus efectos:se observan sus efectos: La expansión de un líquidoLa expansión de un líquido El cambio en una resistencia, etc.El cambio en una resistencia, etc.

Sensores de Sensores de TemperaturaTemperatura Resistivos: (Resistance Temperature Detectors) RTDs

Uso muy frecuente: cubren un rango de Tª de -100 ºC a + 800ºC, gran precisión y repetibilidad: Principalmente de dos tipos:

RTDs Metálicos (más precisos y más estables) RTDs Semiconductores o Termistores (son más baratos y más sensibles)

Termoeléctricos o o termopares: : Efectos Efectos SeebeckSeebeck, , PeltierPeltier y y ThomsomThomsom((más versátilesmás versátiles)) Sensores de temperatura basados en dispositivos electrónicos integrados

De estos diferentes sensores de temperatura son muy diferentes:De estos diferentes sensores de temperatura son muy diferentes: El rango de medida, la precisión, la facilidad de uso El rango de medida, la precisión, la facilidad de uso La mejor elección dependerá de la aplicación y del rango de Tª

Necesario estudiar la linealidad del efecto observado

Tema 5: Sensores de Tema 5: Sensores de TemperaturaTemperatura

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Si los conductores forman un circuito cerrado Si los conductores forman un circuito cerrado aparece una corriente (aparece una corriente (I )) Si forman un Si forman un C.AC.A. aparece una diferencia de . aparece una diferencia de potencial potencial VAB o o ((f.e.m. ) que depende:) que depende:

De la diferencia de Tª de las uniones De la diferencia de Tª de las uniones De la naturaleza de los metales:De la naturaleza de los metales:SA, , SB

Coeficiente Coeficiente SeebeckSeebeck: : SAB

Tema 5: Efectos termoeléctricos: Tema 5: Efectos termoeléctricos: TermoparesTermopares

PRINCIPIO FISICOPRINCIPIO FISICO: se basan en el efecto : se basan en el efecto SeebeckSeebeck El efecto Seebeck, descubierto por el físico alemán , descubierto por el físico alemán Thomas Johann Thomas Johann SeebeckSeebeck (1770 (1770 –– 1831):1831): En un circuito eléctrico compuesto por dos metales diferentes En un circuito eléctrico compuesto por dos metales diferentes A y y B en serieen serie Las uniones entre Las uniones entre A y y B se encuentran a diferente temperatura: se encuentran a diferente temperatura: T y y T++T

BAAB

AB SSdT

dVS

Conversión de energía térmica a eléctrica: termopar

A

BT T+T

I

A

B

T T+TV

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Tema 5: Efectos termoeléctricos: Tema 5: Efectos termoeléctricos: TermoparesTermopares

En 1834 el físico francés En 1834 el físico francés Jean C. A. Jean C. A. PeltierPeltier descubrió : descubrió :

Efecto Peltier: Si circula una corriente a través del termopar (Si circula una corriente a través del termopar (I) ) La La temperatura de una unión aumenta con respecto a otra el con respecto a otra el calor es transferido desde una unión a otracalor es transferido desde una unión a otra La La cantidad de calor transferido::

Es proporcional a la corriente Es proporcional a la corriente I : : CteCte proporcionalidad: Coeficiente proporcionalidad: Coeficiente PeltierPeltier AB

(dimensiones de tensión)(dimensiones de tensión) El flujo de calor se invierte si la El flujo de calor se invierte si la I cambia de sentido cambia de sentido

((la unión que antes se calentaba = cedía calor, ahora se enfría = absorbe calor))

BAABAB SST

Este efecto no depende de la forma o Este efecto no depende de la forma o dimensiones de los conductoresdimensiones de los conductores Efecto Efecto PeltierPeltier: El calor es proporcional : El calor es proporcional a a I y no a y no a I2 R como en el como en el efecto Jouleefecto Joule

dTIdQ ABP

A

B

T+ T T-T

I

Cede calorAbsorbe

calor

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El científico escocés El científico escocés William William ThomsonThomson (más tarde Lord Kelvin) 1854:(más tarde Lord Kelvin) 1854:

Efecto Thomson: absorción o liberación de calor por : absorción o liberación de calor por parte de un conductor homogéneo con temperatura no homogénea por el que circula una corriente con temperatura no homogénea por el que circula una corriente

Dependiendo del sentido de la Dependiendo del sentido de la II en el conductor y el sentido del flujo de calor: en el conductor y el sentido del flujo de calor: Q

El flujo de calor a El flujo de calor a nivel del conductor:: : Coeficiente : Coeficiente ThomsomThomsom de cada conductorde cada conductor

Tema 5: Efectos termoeléctricos: Tema 5: Efectos termoeléctricos: TermoparesTermopares

Se libera calor si fluye I de un punto caliente al frio (Los

portadores se enfrían el

sistema se calienta)

dxdTIRIQ 2

Cede calor

Absorbe calor

T1 T2

T1<T2 (a)Q

T1 T2

T1>T2 (b)Q

I conductor A

Se absorbe calor si fluye I en sentido contraria al

flujo de calor (de un punto frio al caliente)

Efecto Joule Efecto Thomsom

T2

A

B

T1

I

A

B

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A

B

T1 T2<T1

I

A

B

dTd AB

Los Los Termopares son sensores de son sensores de Tª basados en los efectos termoeléctricos:Tª basados en los efectos termoeléctricos: La La enegíaenegía termomotriztermomotriz producida = energía térmica neta transferida + efecto Joule (paproducida = energía térmica neta transferida + efecto Joule (para ra corrientes bajas es despreciable)corrientes bajas es despreciable) Podemos demostrar que:Podemos demostrar que:

Tema 5: Efectos termoeléctricos: Tema 5: Efectos termoeléctricos: TermoparesTermopares

ABABAB

AB dTd

dTdVS

Teorema fundamental de termoelectricidad

El efecto Seebeck es un resultado de la combinación de los efectos

Peltier y Thomsom

Todos los metales exhiben en mayor o Todos los metales exhiben en mayor o menor medida menor medida el efecto el efecto SeebeckSeebeck y el y el

efecto es repetible si se utiliza el mismo efecto es repetible si se utiliza el mismo par de materialespar de materiales

Q

Cede calor

Absorbe calor Aplicación de la Aplicación de la termoelectricidad a la a la

medida de Tª ( sensores de temperatura)

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Termopares: termoelectricidad para la para la medida de Tª Características de un Termopar ideal:Características de un Termopar ideal: La La TªTª máxima < máxima < TªTª fusión del materialfusión del material Formados porFormados por dos conductores homogéneos (de una sola pieza) de distintos (de una sola pieza) de distintos materiales, aleaciones no deben sufrir materiales, aleaciones no deben sufrir tensiónestensiónes mecánicasmecánicas Los conductores están conectados y Los conductores están conectados y unidos en el extremo que serviráunidos en el extremo que servirá paraparatocar o acercar al objeto del cual queremos tocar o acercar al objeto del cual queremos averiguar su temperaturaaveriguar su temperatura.. En un circuito se mantiene una unión a En un circuito se mantiene una unión a TªTª constante y conocida (constante y conocida (unión de unión de referencia: referencia: Tref): ): esto repercute en que la tensión de salida es pequeñaesto repercute en que la tensión de salida es pequeña

sensibilidad típica de 6sensibilidad típica de 6-- 75 75 µVµV//ºCºC La La f.e.m. será función de la será función de la TªTª a la que esté sometida la otra unión (a la que esté sometida la otra unión (uniónunión de de medida: medida: Thot)) Debemos Debemos evitar que circulen corrientes elevadas: reducir efecto Joule Si se desea una exactitud elevada,Si se desea una exactitud elevada, no linealidad entre la diferencia de no linealidad entre la diferencia de potencial y la Temperaturapotencial y la Temperatura

La realización de termopares útiles viene La realización de termopares útiles viene limitadalimitada porque porque CC22 sea muy pequeñosea muy pequeñoEn la práctica, veremos que se hace al En la práctica, veremos que se hace al revesreves: : T=f(V)

Tema 5: Sensores de Tª: TermoparTema 5: Sensores de Tª: Termopar

)()( 22

212211 TTCTTCVAB )(TfVAB

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Termopares: A pesar de las limitaciones, los termopares presentan muchas venA pesar de las limitaciones, los termopares presentan muchas ventajas tajas Las Las ventajas más destacables son: más destacables son:

Tema 5: Sensores de Tª: TermoparTema 5: Sensores de Tª: Termopar

http://www.uhv.es/sites/milka/es/instrumentos.htm

Se pueden construir con una muy pequeña Se pueden construir con una muy pequeña capacidad caloríficacapacidad calorífica El rango de medición en El rango de medición en TªTª es muy amplio: es muy amplio: -270ºC hasta 3000 ºC Su estabilidad a largo plazo es aceptable y Su estabilidad a largo plazo es aceptable y su fiabilidad elevadasu fiabilidad elevada Presentan Presentan mayor exactitud que los RTD y que los RTD y son relativamente son relativamente baratos Son muy tolerantes a condiciones duras de Son muy tolerantes a condiciones duras de procesoproceso Su pequeño tamaño hace que su respuesta Su pequeño tamaño hace que su respuesta sea rápida sea rápida Son robustos, simples y flexibles en su Son robustos, simples y flexibles en su utilizaciónutilización Permiten el uso de hilos de conexión largos Permiten el uso de hilos de conexión largos (hilos de extensión)(hilos de extensión)

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Tipos de TermoparesTipos de Termopares En las uniones de termopar interesa tener: resistividad elevada para tener una resistencia alta sin requerir mucha masa Para lograr estas propiedades se emplean aleaciones especiales:

Níquel (90) / Cromo (10): Cromel Cobre (57) / Níquel (43) Níquel (43) / Aluminio (2) / Manganeso (3) /silicio (1): Alumel

La protección frente al ambiente se logra mediante una vaina (normalmente de acero inoxidable) el espesor de la vaina afecta a la velocidad de respuesta y la robustez de la sonda Termopar industrial con vaina:

1. Conductores (diferentes)1. Conductores (diferentes) 2. Unión de medida2. Unión de medida 3. Unión de referencia3. Unión de referencia 4. Hilos de termopar sin aislar4. Hilos de termopar sin aislar 5. Hilos de termopar aislados5. Hilos de termopar aislados 6. Cables de extensión (= a los del termopar)6. Cables de extensión (= a los del termopar) 7. Cables de compensación (diferentes7. Cables de compensación (diferentes

de los del termopar pero con de los del termopar pero con f.e.mf.e.m pequeña)pequeña) 8. Caña 8. Caña pirométricapirométrica 9. Protector (cubierta externa) y 10. Cabeza de la caña9. Protector (cubierta externa) y 10. Cabeza de la caña

Tema 5: Efectos termoeléctricos: Tema 5: Efectos termoeléctricos: TermoparesTermopares

R. Pallás, 1998

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En la tabla se recogen las En la tabla se recogen las características de algunos de los termopares más comunes y su designación de acuerdo con las normas más comunes y su designación de acuerdo con las normas ANSIANSI--MC96.1MC96.1--19821982 Para poder decir que un termopar determinado cumple con la normPara poder decir que un termopar determinado cumple con la norma ANSIa ANSI--MC96.1MC96.1--1982 1982 su respuesta no debe apartarse de la tabla respectiva más del límite indicado::

Tema 5: Sensores de Tª: TermoparTema 5: Sensores de Tª: Termopar

http://www.centigrado.it/eng/pag_it_termocoppie.htm

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Podemos destacar las siguientes características:

Termopares J:Termopares J: versátiles y de versátiles y de bajo coste es posible su empleo en es posible su empleo en atmosferasatmosferas oxidantes o reductorasoxidantes o reductoras

aplicación para aplicación para hornos de combustión abiertos a la atmósferaa la atmósfera Termopares K:Termopares K: se emplean en atmósferas no reductoras se emplean en atmósferas no reductoras

En su margen de medida son mejores que los E, J y T cuando se trEn su margen de medida son mejores que los E, J y T cuando se trata de medir en ata de medir en atmósferas oxidantesatmósferas oxidantes

Termopares T:Termopares T: resisten la corrosiónresisten la corrosión atmósferas atmósferas de alta humedad Termopares E:Termopares E: son de mayor sensibilidad y son de mayor sensibilidad y resisten la corrosión por debajo por debajo de 0de 0ºCºC y las y las atmósferas oxidantes Termopares N:Termopares N: resisten la oxidación y ofrecen mejor y ofrecen mejor estabilidad a altas temperaturas Termopares (B, R y S),Termopares (B, R y S), con metales nobles, tienen muy con metales nobles, tienen muy alta la resistencia a la oxidación y a la corrosión

Tema 5: Sensores de Tª: TermoparTema 5: Sensores de Tª: Termopar

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Los termopares J, T, etc. son de tipo estándarLos termopares J, T, etc. son de tipo estándar Tienen los siguientes códigos de colores de acuerdo al tipo desTienen los siguientes códigos de colores de acuerdo al tipo descrito en crito en la tabla ANSI para su fácil conexión a los instrumentos o disposla tabla ANSI para su fácil conexión a los instrumentos o dispositivos de itivos de medición de temperatura.medición de temperatura.

Para seleccionar el tipo adecuado de termopar a usar en la apliPara seleccionar el tipo adecuado de termopar a usar en la aplicación cación se debe tener en cuenta:se debe tener en cuenta: Rango de temperatura a medir.a medir. Tolerancia y cantidad de Tolerancia y cantidad de error que permite la aplicación ¿Es posible que el termopar toque al objeto sin que este le alt¿Es posible que el termopar toque al objeto sin que este le altere?ere? ¿Qué ¿Qué tipo de contacto físico se requiere para se requiere para sensarsensar la temperatura?la temperatura?

Tema 5: Sensores de Tª: Tema 5: Sensores de Tª: TermoparesTermopares

www.monografías.com

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Tema 5: Sensores de Tª: Tema 5: Sensores de Tª: TermoparesTermopares La La tensión de salida correspondiente a distintas Tª cuando la unión cuando la unión de referencia está a 0.00ºC de referencia está a 0.00ºC está tabulada Esto no significa que la unión a 0.00ºC dé siempre una tensión Esto no significa que la unión a 0.00ºC dé siempre una tensión de 0 V para de 0 V para cualquier termoparcualquier termopar Al medir la tensión de una unión hay que introducir otra uniónAl medir la tensión de una unión hay que introducir otra unión

Se habla de diferencia de tensiones entre uniones a diferentes tSe habla de diferencia de tensiones entre uniones a diferentes temperaturasemperaturas No se habla de la tensión debida a una uniónNo se habla de la tensión debida a una unión

Introducimos una tabla de este tipoIntroducimos una tabla de este tipo las temperaturas intermedias las temperaturas intermedias se obtienen mediante interpolación linealse obtienen mediante interpolación lineal

Decenasde laThot

Unidadesde laThot

Tref=0ºCR. Pallás, 1998

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Tema 5: Sensores de Tª: Tema 5: Sensores de Tª: TermoparesTermopares Ejemplo 1:Ejemplo 1: Un circuito constituido por un termopar tipo J tiene una unión a 0ºC y otra a 45 ºC. ¿Cuál es la f.e.m. en circuito abierto? Respuesta: vemos la tabla

Fila correspondiente a 40 y columna correspondiente a 5

Ejemplo 2: Si en un termopar tipo J con una unión en 0ºC, se obEjemplo 2: Si en un termopar tipo J con una unión en 0ºC, se obtiene, tiene, en circuito abierto, una tensión de 5 en circuito abierto, una tensión de 5 mVmV ¿Cuál es la Tª de la otra unión?¿Cuál es la Tª de la otra unión? Respuesta: vemos la tabla Fila correspondiente a 90

Columnas correspondientes a 95 y 96 respectivamente: 5.050 mV y 4.996 mV La sensibilidad de la zona = 5.050-4.996=54 µV/ºC la unión está a 95.07 ºC

Decenasde laThot

Unidadesde laThot

V=2.321 mV

R. Pallás, 1998

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Tema 5: Sensores de Tª: Tema 5: Sensores de Tª: TermoparesTermopares

En la En la webweb existen tablas para los termopares de uso típico en la industriexisten tablas para los termopares de uso típico en la industria a con resolución de 1con resolución de 1ºCºC, válida para la , válida para la TªTª de unión de referencia de 0ºCde unión de referencia de 0ºCLa relación La relación Tª (ºC) - Tensión (mV) para un para un termopar tipo J (Hierro(Hierro--ContantánContantán(aleación de Cu y (aleación de Cu y NiquelNiquel), según la norma ANSI), según la norma ANSI--MC96.1MC96.1--1982:1982:

Centenasde la Thot

Decenas de la Thot

http://www.centigrado.it/eng/pag_it_termocoppie.htm

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Tema 5: Sensores de Tª: Tema 5: Sensores de Tª: TermoparesTermopares Las tablas Las tablas Tª (ºC) - Tensión (mV) --que son para una Tª de la unión de que son para una Tª de la unión de referencia (este caso 0ºC)referencia (este caso 0ºC)-- pueden utilizarse tambiénpueden utilizarse también a a Tref diferentesdiferentes Para ello debe hacerse la Para ello debe hacerse la compensación de la tensión resultante :resultante : La tensión de salida del termopar es función de la diferencia La tensión de salida del termopar es función de la diferencia Tref-- Thot Si utilizamos una referencia mayor que la de la tabla, todas laSi utilizamos una referencia mayor que la de la tabla, todas las tensiones s tensiones serán menores que las tabuladasserán menores que las tabuladas Ejemplo; Supongamos tener un termopar tipo J con Ejemplo; Supongamos tener un termopar tipo J con Tref=25 ºC

La tabla indica una tensión de 1.277 La tabla indica una tensión de 1.277 mVmV para para ThotThot=25ºC con =25ºC con TrefTref=0ºC=0ºC Para una Tª de 100ºC, en vez de 5.268 Para una Tª de 100ºC, en vez de 5.268 mVmV tendremos 5.268 tendremos 5.268 mVmV--1.277=3.991 1.277=3.991 mVmV

R. Pallás, 1998

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Tema 5: Sensores de Tª: Tema 5: Sensores de Tª: TermoparesTermopares

En un sistema automático En un sistema automático se emplean polinomios que aproximan estas que aproximan estas tablas con una exactitud que depende del grado del polinomiotablas con una exactitud que depende del grado del polinomio

En la tabla mostramos los coeficientes En la tabla mostramos los coeficientes ai de diferentes termopares de diferentes termopares comunes dentro del margen y del grado de aproximación especificacomunes dentro del margen y del grado de aproximación especificadosdos Si el margen de medida es amplio, en vez de emplear polinomios Si el margen de medida es amplio, en vez de emplear polinomios de orden de orden cada vez mayor, se divide el margen en varios tramos más pequeñocada vez mayor, se divide el margen en varios tramos más pequeñoss

... 2210 VaVaaT

R. Pallás, 1998

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Tema 5: Sensores de Tª: Tema 5: Sensores de Tª: TermoparesTermopares

En la figura En la figura mostramos la mostramos la característica Tensión-Temperatura de de diferentes tipos de diferentes tipos de termoparestermopares

http://www.thermosensors.com/

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Hay casos en los que el termopar es envainado en metal o selladHay casos en los que el termopar es envainado en metal o sellada en a en vidrio para protegerla de ambientes hostiles u aún alojada en unvidrio para protegerla de ambientes hostiles u aún alojada en untermopozotermopozo metálicometálico Según la aplicación, a nivel comercial disponemos de distintos Según la aplicación, a nivel comercial disponemos de distintos tipos de tipos de unionesuniones

Tema 5: Sensores de Tª: Tema 5: Sensores de Tª: TermoparesTermopares

Las Las uniones desnudas (a(a--d): d): Se emplean para medidas estáticas, pero Se emplean para medidas estáticas, pero son frágiles son frágiles También tienen aplicación para medir la También tienen aplicación para medir la TªTªde flujos de gases no corrosivos en los que de flujos de gases no corrosivos en los que se requiere una respuesta rápidase requiere una respuesta rápida

Las Las uniones aisladas: se emplean para : se emplean para medir en ambientes corrosivos donde medir en ambientes corrosivos donde además interese el aislamiento eléctrico además interese el aislamiento eléctrico del termopar del termopar Queda encerrado por la vainaQueda encerrado por la vaina Aislado de la vaina por un buen conductor Aislado de la vaina por un buen conductor térmico como el aceite, mercurio, aislante térmico como el aceite, mercurio, aislante mineral (mineral (MgOMgO))

Unión soldada en extremos

Unión soldada en paralelo

Hilo trenzado

Termopar expuesto:respuesta rápida

Termopar encapsulado:

aislamiento eléctrico y ambiental

Termopar unidoa la cubierta:

aislamiento ambiental

R. Pallás, 1998

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Tema 5: Comparación sensores TªTema 5: Comparación sensores Tª

Características normalizadas de diferentes sensores de Tª Características normalizadas de diferentes sensores de Tª

Web de Instrumentación y Control de procesos indusstriales- 22.73. Argentina

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Tema 5: Comparación sensores TªTema 5: Comparación sensores Tª

Características de distintos tipos de sensores de Características de distintos tipos de sensores de TªTª

www.monografías.com

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Tema 5: Comparación sensores TªTema 5: Comparación sensores Tª

Características de distintos tipos de sensores de Características de distintos tipos de sensores de TªTª

http://www.fisicarecreativa.com/guias/sensorestemp.pdf

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El termopar es el sensor de temperatura que tiene un rango más amplio Desde la temperatura más baja obtenible hasta la Tª en la que se funden los metales que constituyen el par En la práctica pueden medir en un rango que va desde 270ºC hasta 2353 ºC, pero existen tipos especiales que abarcan rangos superiores e inferiores

Las tensiones que produce el termopar son inferiores a 100 mV En cuanto a la sensibilidad En el caso más favorable (tipo E @ 600 ºC) la sensibilidad es de 80 µv/ºC En el caso más desfavorable (tipo B @ 900 ºC) la sensibilidad es de 8 µV/ºC

La tensión de salida del termopar es una función directa de la diferencia entre Thot y Tref Las caractersíticas del termopar dependen del par de metales que lo constituyen En la práctica, no es afectada por el autocalentamiento

Tema 5: Comparación sensores TªTema 5: Comparación sensores Tª

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AgradecimientosAgradecimientos

Figuras cortesía de:Figuras cortesía de:

J. J. TurnerTurner, M. Hill. “, M. Hill. “InstrumentationInstrumentation forfor EngineersEngineers andand ScientistsScientists”. Oxford ”. Oxford UniversityUniversity PressPress.1999..1999.

Data Acquisition and Control Handbook. Data Acquisition and Control Handbook. KeithleyKeithley Instruments. 2001Instruments. 2001. . (Instrumentos de Medida S.L.) IDM(Instrumentos de Medida S.L.) IDM--Instrumentos.Instrumentos.

R. R. PallásPallás, Sensores y acondicionadores de señal. , Sensores y acondicionadores de señal. MarcomboMarcombo, 1998., 1998. Web de Instrumentación y Control de procesos industriales- 22.73. Argentina. http://www.uhv.es/sites/milka/es/instrumentos.htm http://www.monografías.com/transductoresdetemperatura http://www.fisicarecreativa.com/guias/sensorestemp.pdf http://www.lakeshore.com http://www.centigrado.it/eng/pag_it_termocoppie.htm http://www.hispavila.com/3ds/tutores/divstension.html#Sensores_de_temperatur

a http://www.omega.com http://www.thermosensors.com