0.1 Ejercicios sobre sensores de temperatura

Transcripción

1 0.1 Ejercicios sobre sensores de temperatura Ítemes de calicación falsa-verdadera 1. La temperatura es una magnitud que cuantica la energía total de un cuerpo. 2. La radiación térmica es una forma de transporte de energía donde las partículas entregan, por contacto, energía térmica a otras de baja temperatura. 3. El punto triple del agua es una constante universal exacta que permite denir la unidad kelvin. 4. Las escalas de temperatura, kelvin, Celsius y Fahrenheit, tienen una relación lineal entre ellas. 5. Los puntos de ebullición, puntos de congelación y puntos triples de algunas sustancias, se emplean como patrones para termometría, según lo especicado por el Escala internacional de temperatura (ITS-90). 6. La escala de temperatura de kelvin es absoluta y su unidad es la única de temperatura que pertenece al Sistema internacional de unidades (SI). 7. La temperatura es una magnitud cuya medición solamente se puede realizar a través de métodos directos. 8. Los sensores de temperatura se soportan en los cambios físicos que tienen lugar en las sustancias, debido a sus cambios de temperatura. 9. En un sensor térmico resistivo, se pueden observar hasta tres magnitudes que cambian por efecto del cambio de temperatura. 10. La resistividad en los metales decrece con el aumento de temperatura. 11. El RTD es un sensor resistivo de temperatura con un coeciente de cambio negativo muy elevado. 12. La RTD de más alta sensibilidad es el platino. 13. Los RTD se caracterizan por tener una buena repetibilidad y mala precisión. 14. Para el acondicionamiento de un sensor de platino se recomienda la técnica de cuatro hilos. 1

2 0.1. Ejercicios sobre sensores de temperatura 15. El límite superior del rango de trabajo recomendado para un sensor RTD de platino es de 400 C. 16. Un sensor Ni1000 es de platino, y presenta un valor de resistencia de 1000 Ω a 100 C. 17. Es posible construir termistores con una característica de resistencia vs. temperatura con pendiente positiva (PTC) o negativa (NTC). 18. Los termistores están constituidos por mezclas sinterizadas de polvo de óxidos o sales metálicas, los cuales presentan comportamientos similares a los semiconductores. 19. El límite superior de temperatura de trabajo de un termistor NTC se acerca a 600 K. 20. Un termopar es un sensor de temperatura que puede ser entendido como una fuente de voltaje o de corriente dependiente de la temperatura. 21. Para que el termopar funcione adecuadamente, se deben establecer condiciones que permitan el desarrollo de todos los efectos termoeléctricos. 22. La diferencia de temperatura en los dos extremos de un termopar es la única variable que determina el valor de su respuesta. 23. Dos alambres conductores de diferentes composiciones, con sus extremos unidos y, a la vez, a diferentes temperaturas, generan una corriente por dichos alambres. 24. La diferencia de tensión generada en un termopar, es una función lineal con respecto a la diferencia de temperatura entre los extremos del termopar. 25. La sensibilidad típica de un termopar tipo S es de 0,2 mv/ C. 26. El termopar comercial de más alta sensibilidad es el tipo K. 27. El modelo matemático empleado para modelar al termopar y a su función inversa es polinómico. 28. Para que un termopar pueda usarse como sensor, es necesario que la temperatura de referencia esté siempre costante. 29. Un CUF es un circuito requerido por el termopar para el manejo de la temperatura de referencia. 2

3 30. El diodo semiconductor es un sensor térmico debido a que su curva característica se desplaza a una tasa aproximada de 2 mv/ C. 31. Los sensores térmicos, basados en la unión P-N, utilizan arreglos con transistores que permiten minimizar la dependencia que presenta el voltaje base emisor, de la corriente inversa de saturación. 32. El autocalentamiento en sensores térmicos puede ser eliminado totalmente por elección apropiada del acondicionador. 33. Si se acondiciona un sensor térmico resistivo con una corriente variable en el tiempo, el autocalentamiento depende del valor promedio de dicha señal. 34. Una manera de disminuir el autocalentamiento en sensores térmicos resistivos es alimentandolos con señales discontinuas en el tiempo. Ítems de análisis de relación 1. Afirmación Las diferentes escalas de temperatura existentes no son lineales. La temperatura es una magnitud física que se mide de manera indirecta; por tanto, la escala y valores asignados son arbitrarios. 2. Afirmación Los RTD son sensores resistivos cuyo coeente de cambio aumenta con la temperatura El aumento de temperatura en los metales ocasiona un aumento de cargas libres dentro del material. 3. Afirmación En un material tipo NTC, utilizado como sensor resistivo para temperatura, se observa que mantiene un cambio positivo de su resistencia cuando la temperatura decrece. El comportamiento de dichos materiales permite que las cargas eléctricas negativas pasen a la banda de conducción cuando aumenta la temperatura. 3

4 0.1. Ejercicios sobre sensores de temperatura 4. Afirmación Los materiales denominados PTC presentan mayor sensibilidad que los denominados NTC. En los materiales PTC aumenta la resistencia con la temperatura y en los materiales NTC disminuye. 5. Afirmación El coeciente de cambio con la temperatura, para los sensores denominados RTD, es constante para cualquier temperatura. Este se dene como la relación entre la pendiente de la CC y el valor del sensor. 6. Afirmación Si dos sensores RTD, a saber: platino y níquel, tienen igual resistencia en 25 C, en 100 C el sensor de Ni presenta menor resistencia que el de platino. El segundo coeciente de cambio con la temperatura, para el níquel, es negativo. 7. Afirmación Un termistor NTC siempre es menos sensible que el platino. El coeciente de cambio con la temperatura, para el termistor, es negativo. 8. Afirmación Todos los efectos termoeléctricos que pueden tener lugar en un termopar aportan positivamente a la fuerza termoelectromotriz generada. Los efectos termoeléctricos interpretan y modelan la relación entre la energía eléctrica y la energía térmica. 9. Afirmación La tensión de Peltier generada por la unión de dos materiales depende 4

5 únicamente del tipo de material. Cada material tiene una tensión absoluta e independiente de la temperatura. 10. Afirmación Si los extremos de un termopar se colocan en corto circuito y se mantienen, cada uno de ellos, a diferente temperatura, la tensión generada pasa a cero. En esas condiciones no se pueden dar todos los efectos termoeléctricos que soportan al termopar. 11. Afirmación La ley de temperaturas sucesivas establece la forma de descomponer la tensión generada en el termopar, en sus componentes básicos de Peltier y de Thomson. La tensión generada por el termopar es función de los gradientes de temperatura. 12. Afirmación Cuando un termopar trabaja con su terminal de referencia en una temperatura diferente a 0 C, se debe disponer de un compensador de unión fría (CUF), para que suministre un nivel de voltaje proporcional a la temperatura de referencia. En la medida que la temperatura de referencia aumenta, la tensión generada por el termopar disminuye. 13. Afirmación Una forma de obtener un cambio lineal de voltaje con respecto a la temperatura, se consigue acoplando dos uniones PN y tomando sus voltajes de conducción en forma diferencial. La dependencia logarítmica que presenta el voltaje de la unión permite la eliminación de la dependencia con respecto a la corriente inversa de 5

6 0.1. Ejercicios sobre sensores de temperatura la unión. Ítemes de pregunta abierta y problemas 1. Un termopar que mide una temperatura de 155 C tiene sus terminales de referencia a 32 C y produce una fuerza termoelectromotriz (ftem) de 6638 µv. ¾Qué tipo de termopar puede ser? 2. Un termopar tipo E, que mide la temperatura de una mezcla agua-hielo a presión atmosférica normal (PAN), produce una diferencia de tensión de 1208 µv. ¾Cuál es el valor de la temperatura de los terminales de referencia?. 3. Una termocupla real genera 904 µv y 4822 µv cuando está midiendo 283 K y 373 K, respectivamente. ¾Qué tipo de termocupla es y cuánto vale la temperatura de referencia?. 4. Realice el análisis y determine el respectivo circuito para convertir un sensor que tiene una sensibilidad de 5 µv/k y presenta un valor inicial de 0 V, a un nuevo dispositivo que presente una sensibilidad de 10 ma/ F con valor inicial de 0 ma. 5. El circuito de la gura A.6 es un termómetro basado en dos transistores apareados. Determinar los valores de los componentes para que la sensibilidad de todo el bloque sea de 0,001 V/K. Figura 1. Sensor diferencial y acondicionador 6

7 6. Para el circuito de la gura A.7, calcule los elementos necesarios e imponga las condiciones para tener un circuito que opere en el rango de 0 C a 100 C, con una salida entre 0 V y 10 V, respectivamente. R s (t C ) es una sonda PTC lineal con R( 25 C) = 1000 Ω y α = 0,7 %/ C. La conductividad térmica del sensor vale 15 mw/ C y el autocalentamiento del sensor debe ser inferior a 1 C. Figura 2. Circuito acondicionador para RTD 7. Una sonda Pt100 tiene una resistencia térmica de 50 C/W. ¾Cuál será la temperatura real del proceso, si la corriente de polarización es la mostrada en la gura A.8 y la sonda da una medida aparente de 650 C?. 7

8 0.1. Ejercicios sobre sensores de temperatura Figura 3. Señal de corriente 8. Al circuito de acondicionamiento del termopar tipo E de la gura A.9 se le realiza la compensación de unión fría mediante un sensor integrado con S S = 10 mv/ C y v S (0) = 100 mv. La ganancia del amplicador de instrumentación se establece en 150, el rango de t C va de 0 C a 700 C y el de t A desde 0 C hasta 45 C. Determinar el valor de los elementos y las condiciones para que la expresión de salida sea independiente de la temperatura ambiente t A. 8

9 Figura 4. Circuito compensador de unión fría 9