Medida de temperaturas (I)

Transcripción

1 Medida de temperaturas (I) Ingeniero de

2 Contenido Introducción Tipos de termómetros Termómetros resistivos Descripción Curvas de respuesta Medidas Termópares y Circuitos Integrados Ingeniero de

3 Temperatura Temperatura: Magnitud física Intuitiva (frío-calor) Elusiva (difícil de medir directamente) Escala internacional de temperatura Comité Internacional de Pesos y Medidas ITS-09 (international temperature scaale 1990) Conjunto de puntos fijos y reglas de interpolación Unidades Celsius y Kelvin en Europa Farenheit y Rankine en países anglosajones

4 Tipos de termómetros Los termómetros patrón usados en la definición de Temperatura son sofisticados y no aptos para su uso industrial. Los ordinarios pueden ser de varios tipos: 1. Los termómetros de expansión térmica de las sustancias (termómetros de columna de líquido o bi-metales). 2. Basados en cambio de resistencia eléctrica con la temperatura. (termómetros resistivos). 3. Basados en el efecto termoeléctrico (termopares). 4. Basados en cambios de propiedades electrónicas de semiconductores (termómetros de circuito integrado). 5. Basados en la emisión de radiación de los cuerpos. (termómetros de radiación). Cambio de velocidad de sonido en un medio (termómetro acústico) Cambio de estado de la materia (termómetros de cambio de fase) Cambio de frecuencia de oscilación de cristales (termómetro de cuarzo).

5 Tipos de termómetros 1. Los termómetros de expansión térmica de las sustancias. Expansión térmica de las sustancias. Dos tipos: -Líquidos -Mercurio. Perjudicial al medio ambiente (regulaciones especiales). - Sustancias orgánicas -Sólidos - Láminas bi-metálicas No requieren alimentación eléctrica. Se adaptan mal a medidas eléctricas. Muy estables en ciclos repetitivos No generan datos que se puedan almacenar o transmitir fácilmente Frágiles o delicados

6 Tipos de termómetros 2. Basados en cambio de resistencia eléctrica con la temperatura. (termómetros resistivos). Se basan en el cambio de resistencia eléctrica con la temperatura. Dos tipos: - Resistencia eléctrica (RTD) - Semiconductor (Termistor) Fácil integración en un circuito eléctrico. Se adaptan muy bien a medidas eléctricas. Requieren alimentación eléctrica. Muy estables en ciclos repetitivos Los datos se puedan almacenar y transmitir fácilmente. Robustos

7 Tipos de termómetros 3. Basados en el efecto termoeléctrico. (termopares). Se basan en el efecto termoeléctrico (generación de f.e.m. en función de la temperatura) de dos metales soldados. Fácil integración en un circuito eléctrico. Se adaptan muy bien a medidas eléctricas. No requieren alimentación eléctrica. Muy estables en ciclos repetitivos Los datos se puedan almacenar y transmitir fácilmente. Muy Robustos y Pequeños.

8 Tipos de termómetros 5. Propiedades electrónicas de circuitos semiconductores. (circuitos integrados). Generan una intensidad en función de la temperatura absoluta. Fácil integración en un circuito eléctrico. Se adaptan muy bien a medidas eléctricas. No requieren alimentación eléctrica. Lineales. Los datos se puedan almacenar y transmitir fácilmente. Muy Robustos

9 Tipos de termómetros 4. Emisión de radiación de los cuerpos. (Termómetros de radiación). Ej. Infrarrojos. Equipos completos. Llegan hasta muy altas temperaturas. Sin contacto físico con el medio

10 OTROS Tipos de termómetros Cambio de estado: Irreversibles (cambio permanente) Reversibles. De cristal líquido. (cambio transitorio) Respuesta lenta Poco precisos

11 Termo resistencias (RTD) Cambio de resistencia con la temperatura RTD = Resistance temperature detector Aleación Pt, Ni, Cu, etc. Los más usuales son los de Platino PtX platino Resistencia a 0ºC Los más extendidos son Pt100, aunque existen de otras resistencias (200Ω, 500Ω, 1000Ω, ) Rango de temperaturas -200ºC a casi 1000ºC (distintos modelos, distintos rangos) Consultar catálogos!

12 Termo resistencias (RTD): tipos de Pt100 Arrollamiento de hilo (wire wound) Película delgada Ingeniero de

13 Termistores Fabricados con óxidos semiconductores de Ni, Mn, Fe, Co, Ti, etc. Los de baja precisión son más baratos que Pt100 los de alta precisión, del mismo orden de precio T desde 100 a 300 C, máximo típico de 50 a 120 C Consultar catálogos! Muchas morfologías Consultar catálogos!

14 Curvas de respuesta Ingeniero de

15 Ecuaciones de respuesta (RTD) Termo resistencia de Platino (Pt100) Intervalo pequeño: Lineal T en ºC Intervalo amplio: Polinómica. Calendar van Dusen Normas IEC 751, BS 1904, ASTM 1137

16 Ecuaciones de respuesta (Termistor) Intervalo pequeño o baja precisión: Exponencial 1/T. Precisión: 2 ºC en intervalo de 200ºC ó R 0 resistencia a T 0 (suele ser 25ºC) β varía entre 3000K y 5000K Intervalo amplio: Cúbica en LnR. Steinhart Hart Precisión: 0.04 ºC en intervalo de 200ºC T en ºK

17 Ecuaciones de respuesta (Termistor) Steinhart Hart T en ºK R=f(T) T=f(R) Part Type 1003Z 2253Z 3003Z 5003Z 1004Z 3004Z 5002K 1003K 1004C 2004C 3004D 5004D 1005D R@25ºC a E E E E E E E E E E E E E-04 b E E E E E E E E E E E E E-04 c E E E E E E E E E E E E E-08

18 Medidas con termómetros resistivos Mecánica de la medida Montaje potenciométrico R Ecuación de respuesta T Condiciones de la medida Medio T sensor Dos problemas: Autocalentamiento Tiempo de espera T = temperatura del medio T S = temperatura del sensor T S = T sólo si existe equilibrio

19 Autocalentamiento Causa: Generación de calor por el efecto Joule Medio T sensor I Q P J Coeficiente de disipación En el equilibrio: C D depende de: 1. del sensor (tamaño, tipo de encapsulado) 2. del medio (gas, líquido) 3. del contacto térmico entre ambos (reposo, circulación, agitación) Ver catálogos

20 Tiempo de respuesta Causa: El calor debe fluir entre el sensor y el medio hasta alcanzar el equilibrio Medio T Si T = cte, T S =T S0 para t=0 En primera aproximación: Constante de tiempo τ depende de los mismos factores que C D : I Q sensor

21 Sugerencias Visite: Ingeniero de