1 Termistores Los termistores son elementos en los cuales se mide las variaciones de la temperatura (ºK) en función del cambio de resistencia que experimentan, pero a diferencia de los RTD, los termistores se basan en semiconductores y no en conductores. Según sea el coe?ciente de temperatura positivo o negativo se les denomina como PTC o NTC El fundamento de estos sensores es la variación de resistencia de los semiconductores al variar el número de portadores. Para un rango limitado de temperatura (50 ºC) la relación de la resistencia en una NTC con la temperatura se suele considerar exponencial,
2 Termistores Aplicaciones Medición de temperatura por calentamiento externo Medición de ?ujos por enfriamiento. En el caso de los NTC la adición de una resistencia en paralelo, permite su utilización como un sensor linealizado. Con una temperatura ambiente constante, para corrientes bajas el comportamiento del termistor es casi lineal. Conforme aumenta la corriente, las consecuencias del autocalentamiento son más apreciables y la tensión crece cada vez más despacio y llega un momento en el que la temperatura alcanza un valor para el que la tensión no solo no crece sino que decrece. En la zona de autocalentamiento el termistor es sensible a cualquier efecto que altere el ritmo de disipación de calor. Esto permite aplicarlo a la medida de caudal, nivel, conductividad calorífica, nivel de vacío, etc.
3 Termistores Posibilidad de ligeros cambios de las características con el paso del tiempo. Este fenómeno se minimiza en los modelos sometidos a envejecimiento artificial. Intercambiabilidad sólo garantizada para modelos especiales. Necesidad de reajuste del circuito en caso de sustitución. Alta sensibilidad y alta resistividad. Comportamiento no lineal. Linealizable a costo de perder sensibilidad. Considerando varios modelos, amplio margen de temperaturas [-100ºC, +450ºC] Bajo precio.
4 Detectores de Temperatura Resistivos Los detectores de temperatura basados en la variación de una resistencia eléctrica se suelen designar con sus siglas inglesas RTD (Resistance Temperature Detector). Sensor de temperatura basado en el cambio de resistencia de un conductor cuando existe un cambio de temperatura. Cuando la temperatura aumenta la vibración de los electrones alrededor de los núcleos se incrementa reduciéndose de esta forma la velocidad media, lo que implica un aumento de resistencia.
5 Detectores de Temperatura Resistivos (RTD) Símbolo del RTD. Resistencia de una RTD viene dada por la fórmula. Donde Ro es la resistencia a la temperatura de referencia y T es el incremento de la temperatura con respecto a la temperatura de referencia. Usualmente para los cálculos matemáticos y para trabajar en una región lineal, se utiliza la siguiente ecuación.
6 Detectores de Temperatura Resistivos (RTD) La mayoría de los RTD están compuestos por un cable fino arrollado alrededor de un núcleo cerámico o de cristal. El material más utilizado es el platino y al RTD de este material se le designa como RTD Pt100 debido a que a 0°C la resistencia es de 100O. Debido a la fragilidad de las RTD se suelen proteger dentro de una cápsula que puede encontrarse comercialmente con diversas formas.
7 Detectores de Temperatura Resistivos (RTD) Limitaciones No se puede medir temperatura en valores cercanos a la temperatura de fundición Evitar autocalentamiento. Aplicación Donde se requiera alta sensibilidad, alta repetibilidad y gran precisión se emplea platino y para bajo costo el coste cobre y níquel.
8 Fotorresistencias (LRD) Las LDR (Light Dependent Resistors) Se basan en la variación de la resistencia eléctrica de un semiconductor al incidir en él radiación óptica (radiación electromagnética con longitud de onda entre 1mm y 10 nm). La radiación óptica aporta la energía necesaria para aumentar el número de electrones libres (efecto fotoeléctrico) disminuyendo la resistividad.
9 Magnetorresistencias Son sensores basados en materiales ferromagnéticos. Cuando son sometidos a un campo magnético se produce un aumento de la resistencia eléctrica. El campo magnético altera la trayectoria de los electrones aumentando la resistividad. La relación entre el cambio de resistencia y el campo magnético aplicado es cuadrática, pero es posible linealizarla aplicando técnicas de polarización. Medida directa: Registro magnético de audio Lectoras de tarjetas magnéticas Resonancia magnética Medida de otras magnitudes a través de las variaciones del campo magnético: Medida de desplazamiento y velocidad Detectores de proximidad Medida de posiciones y la medida de niveles con flotador.
10 Acondicionadores de señal Los acondicionadores de señal son elementos encargados de transformar la salida del sensor en una medida equivalente adecuada para su proceso por las siguientes etapas del sistema de instrumentación. En los procesos automatizados, el acondicionamiento de las señales es de gran importancia, debido a que es la base de los cálculos y del buen funcionamiento del proceso. Se dice que a buenas medidas, buenos cálculos y buen resultado del sistema de control. Los transductores, sensores y transmisores son los encargados de tomar las medidas primarias, dentro de estos, el acondicionador contribuye a escalar las señales medidas y presentarlas al sistema de control en una forma adecuada y fiable para su procesamiento. La flexibilidad en el diseño de los acondicionadores de señal para sensores de resistencia variable, junto con la abundancia de mecanismos que pueden modificar la resistencia eléctrica de un material, hacen que dicho grupo de sensores sea el más numeroso.
11 Acondicionadores de señal En general, el comportamiento de un sensor resistivo se puede expresar como: R=R0f(x), con f(0)=1. Para el caso en que la relación sea lineal R=R0(1+kx) El margen de variación de kx cambia mucho según el tipo de sensor y, por supuesto, según la amplitud de los cambios en la magnitud a medir. A efectos prácticos puede acotarse en el margen [0 ,-1] para los potenciómetros lineales de cursor deslizante y [0, 10-5 a 10-2] para las galgas extensométricas. Cualquiera que sea el circuito de medida, hay dos consideraciones con validez general para todos los sensores resistivos: Todos necesitan una alimentación eléctrica (en tensión o en corriente) para poder obtener una señal de salida eléctrica. La magnitud de esta alimentación, que influye directamente en la sensibilidad del sensor, viene limitada por el posible autocalentamiento del mismo, ya que una variación de su temperatura influye en su resistencia.
12 Medida de resistencia Para la medida de resistencias existen varios métodos clasificados en métodos de deflexión y métodos de comparación. El método de deflexión más simple consiste en alimentar el sensor con una tensión o una corriente y medir, respectivamente, la corriente o la caída de tensión en la resistencia. El problema más serio que presenta es que, en muchos casos, el valor máximo del cambio a medir es incluso de sólo el 1%. Ello supone tener que medir cambios de corriente o tensión muy pequeños superpuestos a valores estacionarios muy altos (correspondientes a x=0). Los métodos de comparación están basados en el uso de dos divisores de tensión, en uno de los cuales está insertado el sensor resistivo. Son los denominados puentes de Wheatstone.
13 Medida por deflexión
14 Medida por comparación Estos métodos son adecuados para medir variaciones pequeñas de Rx. En este caso se ajusta el cursor del potenciómetro graduado hasta anular Vm. Cuando Vm=0 se dice que el puente está equilibrado. El valor de Rx se lee directamente en la escala graduada. Este procedimiento, normalmente es de aplicación manual. Aunque se trata de un método de comparación, en el sentido de que se comparan las tensiones de dos divisores, en este puente la salida VS se mide por deflexión. Si se consideran fijos V, R1, R2 y R4, VS es función de Rx.
15 Circuito de medida para potenciómetros Supondremos un potenciómetro con resistencia nominal Rn. En la figura se muestra el circuito de medida más simple. Para medir la tensión del cursor se utiliza un voltímetro con una impedancia de entrada Rm.
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