Lección 4 Medida de la temperatura

Transcripción

1 Lección 4 Medida de la temperatura 4.1 Introducción 4.2 CI semiconductores 4.3 Termistores 4.4 RTDs 4.5 Termopares 4.6 Pirómetros de radiación F. J. Ferrero-2006

2 4.1 Introducción CI semiconductor V (I) R Termistor R RTD V Termopar T T T T Lineales: 1ºC 10mV/K o 1µA/K Exactitud: 1ºC Repetibilidad: 0-1ºC Salida alta Rápidos Baratos Alta sensibilidad Estabilidad Exactitud Mas lineales que termopar -184 a 2300ºC Robustos Variedad Repetibilidad Generador -55 a 150ºC Requiere fuente de excitación 0 a +200ºC No lineales Autocalentamiento Requiere excitación -200 a 850ºC Requiere excitación Pequeño R Baja R absoluta Autocalentamiento Autocalentamiento No lineales Tensión salida baja Compensación unión fría Estabilidad

3 4.2 CI semiconductor I C I C V V N V kt I C = ln q IS V N kt I C = ln q N IS N Transistores Los CI semiconductores utilizados en la medida de temperatura están basados en la relación entre la tensión base-emisor de un transistor de unión bipolar (BJT) y su corriente de colector. Para N transistores y suponiendo que I C se reparte por igual entre todos ellos, la tensión base-emisor será V N.

4 Salida analógica + V cc +V cc LM35 10mV/ºC + - AD590 I =1µA/K 10k (0,1%) Alimentación: 4V a 30V Ganancia: 10 mv/ºc (LM35); 1,0 µa/k (AD590) Margen de temperatura: -55ºC a 150ºC Exactitud: 0,5 1 ºC La figura muestra dos ejemplos de sensores comerciales con salida analógica proporcional a la temperatura, uno con salida en tensión, el LM35 de National Semiconductor y otro con salida en corriente, el AD590 de Analog Devices. El sensor con salida en corriente es particularmente adecuado en ambientes industriales con altos niveles de ruido eléctrico. En la transmisión de información en bucle de corriente se tiene una relación S/N mejor que en tensión. La resistencia que lee la corriente ha de ser estable termicamnete y de alta precisión (0,5 ó 0,1%).

5 Salida digital TMP05 Sensor de temperatura Modulador digital T H T L PWM Timer µc T (ºC) = [751x(T H /T L )] Margen: -40ºC a +150ºC Resolución: 0,025ºC Modo daisy-chain El formato de señal analógica es adecuado en entornos analógicos, tales como bucles de control de temperatura, pero cada vez más es necesario disponer de la salida en formato digital para su posterior procesamiento. El formato digital más simple es una señal PWM la cual puede ser llevada directamente a un microcontrolador. Se puede utilizar un timer del microcontrolador para extraer la información de temperatura del tren de pulsos comparando la relación entre el tiempo a nivel alto y a nivel bajo. Dado que es una medida ratiométrica, es inmune a cualquier variación de tiempo en el oscilador. Como ejemplo la figura muestra el TMP05 de Analog Devices. Es un sensor de temperatura de bajo coste con salida PWM con una relación que cambia en respuesta a cambios de temperatura. En algunos casos la temperatura medida debe ser aislada eléctricamente (p.e en aplicaciones industriales de alta tensión) donde la temperatura está siendo monitorizada por razones de seguridad. En estos casos se puede emplear un optoacoplador para acoplar el tren de pulsos. Si se requiere monitorizar la temperatura en varios puntos se pueden conectar múltiples dispositivos en daisychain. El circuito puede integrar además la circutería para convertir la señal al formato de los buses serie SPI o I 2 C típicos de los microcontroladores.

6 4.3 Termistores Sensores resistivos de temperatura de bajo coste NTC: Resistencia disminuye con la temperatura PTC: Resistencia aumenta con la temperatura Los termistores son sensores de temperatura de tipo resistivo de bajo coste. Se dividen en dos grupos atendiendo al signo del coeficiente de temperatura de la resistencia: NTC que presentan un coeficiente de temperatura negativo. PTC con un coeficiente de temperatura positivo. Las NTCs son resistencias de material semiconductor constituídas por una mezcla de óxidos metálicos. El aumento de temperatura aporta la energía necesaria para que se incremente el número de portadores capaces de moverse, lo que lleva a un incremento en la conductividad del material, reduciéndose la resistencia. Si el dopado de impurezas es muy intenso, el semiconductor adquiere propiedades metálicas con coeficiente de temperatura positivo (PTC) en un margen de temperaturas limitado.

7 Característica R-T La figura muestra la característica R-T de una NTC. Se observa que la relación entre la resistencia y la temperatura no es lineal, sobre todo, cuando se considera un margen de temperatura amplio. Por otro lado vemos que la sensibilidad es muy grande a bajas temperaturas y va disminuyendo conforme aumenta esta. Una sensibilidad alta es una característica muy deseable de cualquier sensor; de hecho, es la mayor ventaja de los termistores frente a otros sensores de temperatura. La resistencia nominal de una NTC hace referencia a su valor resistivo a una temperatura de referencia, generalmente 25 ºC (298 K). Los valores de resistencia nominal más comunes varían entre 10 Ω y 20 MΩ..

8 Circuito de medida +V R T R R V O = V R + R T R= ±1%, película metálica V= referencia de tensión La aplicación más común de las NTC es la medida de la temperatura. La estimación de la temperatura puede realizarse de forma digital o analógica. En el modo digital se usa un computador que, utilizando el modelo del termistor, calcula el valor correspondiente de temperatura a partir de la medida del valor resistivo de la NTC. La forma analógica de medir la temperatura consiste en añadir una resistencia en serie o en paralelo con el termistor para conseguir una respuesta que se aproxime más a la lineal. La solución más simple empleada para la medida de la temperatura es el divisor de tensión de la figura. Este circuito permite que la tensión de salida se incremente linealmente conforme lo hace la temperatura. Puede incluirse en R la carga relacionada con el circuito externo de medida (cables e impedancia de entrada) consiguiendo resultados más precisos.

9 Linealización mediante R en paralelo R T R (±1% película metálica) R P RRT = R+ R T La linealización también se puede realizar conectando, en paralelo con la NTC, una resistencia de valor adecuado. Un método analítico para el cálculo de la resistencia paralelo consiste en forzar tres puntos de paso en la curva R-T. Por ejemplo, que a tres temperaturas equidistantes, R P esté sobre una recta. Como se observa en la figura el error de linealidad es menor en las proximidades de cada punto de ajuste.

10 Ejemplo R T R REF02 5V R 1 +15V OP V 1 R 2 R 4 POT (Ganancia) -15V +15V POT (Offset) R OP V o -15 V

11 Características I-t 100 Ω V R T Constante de tiempo térmica: cp τ = δ (ms) En otras aplicaciones la característica que interesa es la que describe la evolución de la corriente en el termistor a lo largo del tiempo después de aplicarla. La velocidad a la cual la corriente cambia será inicialmente lenta debido a la alta resistencia del termistor y la resistencia de la fuente. Cuando el dispositivo comienza a calentarse la resistencia disminuye rápidamente y la velocidad de cambio de la corriente se incrementa. Finalmente, cuando el dispositivo se acerca a la condición de equilibrio la velocidad de cambio de la corriente disminuye hasta que la corriente alcanza su valor final. Se observa que el autocalentamiento está sometido a una constante de tiempo que supone un retardo entre la tensión aplicada y el instante en que se alcanza el valor de corriente estacionario. La constante de tiempo térmica del termistor (τ) se define como el cociente entre su capacidad calorífica c p y su constante de disipación térmica (δ).

12 Aplicaciones Circuitos de retardo Supresión de transitorios -tº -tº -tº Rectificador alternativa -tº C Carga Las características I-t anteriores se aprovechan en los circuitos de retardos y para la supresión de transistorios. La figura muestra un circuito de protección contra sobrecorrientes de una fuente de alimentación. En el instante inicial los condensadores de filtro están descargados y aparecen como cortocircuitos, produciéndose una elevada corriente de carga que puede llegar a fundir los fusibles de protección. Esta elevada corriente puede evitarse situando un termistor en serie con el dispositivo que se pretenda proteger. La resistencia inicial de la NTC limita la corriente de carga y, conforme se va autocalentando, su resistencia va disminuyendo y la corriente se va incrementando gradualmente en el circuito, protegiendo los elementos del mismo.

13 Característica V-I R 10 8 V R T V T (V) P = V I = δ(t T ) TT a 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 I T (A) 0,7 Medida de caudal, nivel, conductividad calorífica (varía δ) Control de nivel de tensión o de potencia (varía V) Alarmas (varía T a ) Para algunas aplicaciones interesa la relación entre la tensión en bornes del termistor y la corriente a su través. Para corrientes bajas, la tensión en bornes del termistor es prácticamente proporcional a la corriente porque el autocalentamiento del termistor es muy pequeño. Cuando aumenta la corriente, el termistor sufre un autocalentamiento apreciable y alcanza una temperatura por encima de la del ambiente, reduciéndose su resistencia y, por lo tanto, la caída de tensión a su través. En la zona de autocalentamiento el termistor es sensible a cualquier efecto que altere el ritmo de disipación de calor. Esto permite aplicarlo a las medidas de caudal, nivel, conductividad calorífica. Si la velocidad de extracción de calor es fija, el termistor es sensible a la potencia eléctrica de entrada, y entonces se puede aplicar al control del nivel de tensión o de potencia.

14 Ejemplo (b) Curva Corriente-Tensión 22.5 (a) tensión [V] V T = 15V -(R T +R POT )I T corriente [A] En esta aplicación el punto de trabajo del circuito se ve modificado por cambios en la temperatura ambiente. En la figura (a) se muestra una NTC en serie con la bobina de un relé. Cuando la temperatura ambiente supera un valor preestablecido considerado como el punto de alarma de temperatura, la resistencia de la NTC se reduce, aumentando la corriente lo suficiente como para hacer actuar al relé. En la figura (b) se muestran gráficamente los cambios en la característica V-I de termistor ante cambios en la temperatura ambiente. El punto A es el punto de trabajo del circuito a 25ºC y la corriente es insuficiente para activar el relé. A 42ºC, punto B, la corriente se incrementa lo suficiente como para activar el relé.

15 PTC R máx 2R mín Silistor R mín T T s Las PTC tienen dos tipos de comportamiento según la composición y el dopado. Las de tipo cerámico presentan un cambio brusco de resistencia cuando se alcanza la temperatura de Curie. Su coeficiente de temperatura es positivo sólo en un margen concreto de temperaturas; fuera de él es negativo o casi nulo. La temperatura de conmutación especificada, T S, corresponde a aquella a la que la PTC tiene una resistencia doble del valor mínimo. Las PTC basadas en silicio dopado presentan una variación más suave con la temperatura. A veces se comercializan ya linealizadas, con denominaciones tales como silistores.

16 Aplicaciones (a) (b) El incremento tan brusco de la resistencia en la PTC de tipo cerámico por encima de la temperatura de conmutación las hace ideales en dos tipos de aplicaciones: Protección de circuitos frente a sobrecorrientes o sobretensiones. Generación de retardos En la figura (a) si la corriente supera un límite debido a un fallo, por la PTC circulará más corriente y el efecto de autocalentamiento hará que se alcance T s y aumente bruscamente la resistencia, limitando la corriente en el circuito. Tan pronto como se restablezcan las condiciones normales en el circuito, el sistema volverá a su estado normal. El circuito de la figura (b) permite eliminar la generación de sobretensiones que se producen en los interruptores que conmutan cargas fuertemente inductivas. Situando una PTC en paralelo con el interruptor se evita la sobretensión ya que la PTC permite la recirculación de la corriente hasta que conmuta a su zona de alta resistencia.

17 Aplicaciones Carga V +tº PTC 220V (c) +tº PTC (d) En el momento de la conexión de la alimentación (figura c) toda la corriente circula por la PTC debido a su bajo valor resistivo inicial, permaneciendo abierto el interruptor del relé. Conforme se calienta, llega un momento en que se alcanza T S ; en ese instante toda la corriente pasa a circular por la bobina del relé cerrándose su contacto.

18 4.4 RTD Sensores de temperatura resistivos. La resistencia en los metales aumenta con la temperatura Las RTD son sensores de temperatura basados en la variación de la resistencia de un conductor con la temperatura. Típicamente están constituidos por un hilo de platino arrollado sobre un soporte aislante de tipo cerámico. La variación de resistencia se debe tanto al cambio de resistividad como al cambio de dimensiones asociado con el cambio de temperatura. En los metales, las fuerzas de atracción de los electrones al núcleo son muy débiles. A una temperatura ligeramente elevada los electrones de valencia se desligan fácilmente de sus núcleos, pasando a ser electrones libres, capaces de moverse libremente a través de su red cristalina, en presencia de un campo eléctrico. Se producen colisiones entre los electrones y los iones de la red cristalina, los cuales están vibrando alrededor de su posición de equilibrio, dando lugar a que la velocidad de desplazamiento, de los electrones y por su conductividad sea menor. Las RTD se utilizan en múltiples aplicaciones: en el sector del automóvil (medida de los gases de escape, temperatura del aire de entrada al motor, temperatura interior y exterior), electrodomésticos, edificación (temperatura de los gases de la chimenea, combustión de la caldera).

19 Tipos de RTDs Hilo bobinado (wire-wound) Película fina (thin film) Tubo de acero inoxidable Aislamiento de mica Vidrio (soporte de terminales) Sello de cemento cerámico Alambre de Pt Aislante cerámico Capa protectora de vidrio Película de Pt depositada Sustrato cerámico Atendiendo a su forma constructiva las RTDs pueden ser: Hilo bobinado: el hilo conductor se bobina sobre un elemento aislante eléctrico y muy buen conductor del calor (cerámica). Este bobinado permite dilataciones del hilo al cambiar la temperatura. La bobina es empaquetada con mica y colocada dentro de un tubo que le sirve de protección. Película fina: se deposita una fina capa de platino sobre un sustrato cerámico, cubierta con una película de vidrio fundido que sirve de protección. Son de prestaciones similares a las bobinadas y de bajo coste.

20 Característica R-T 350 Resistencia (Ω) Ni Pt (Pt100) Cu Temperatura (ºC) Diversos metales pueden utilizarse en la construcción de las RTD como el platino, el níquel o el cobre. El platino es el metal más utilizado pues aunque el níquel presenta mayor sensibilidad el platino es más lineal y sobre todo tiene una resistividad mayor. Esto último permite tener una sonda con un valor óhmico suficientemente alto para permitir el empleo de hilos de conexión largos y, a la vez, con poca masa, para tener una respuesta térmica rápida. Los fabricantes ofrecen para cada RTD su curva de calibración como la que se muestra en la figura. Un valor típico es el que presentan a 0ºC, que para el platino es de 100 Ω, lo que da origen al nombre de Pt100.

21 Modelo matemático R T R 0 (1 + αt) R 0 = resistencia a T 0 α = coeficiente de temperatura ( α Pt = 3,9x10-3 /K) T = incremento de temperatura respecto a T 0 Autocalentamiento: P D = I 2 xr= δ T ( V /2) 2 máx PD(max) = δ T Vmax 2 δ TR R Para utilizar una RTD en un sistema de medida de temperatura, generalmente hay que hacerle pasar una corriente eléctrica. Esta corriente produce una disipación de energía en la misma que puede hacer que su temperatura T sea más alta que la del medio T a en que se encuentra. Al igual que hemos visto con los termistores el incremento de temperatura T que sufre la RTD debido al autocalentamiento puede evaluarse por la expresión: P=I 2 xr T =δ T

22 Circuitos de medida + V R 0 R 0 R 0 - V o + R 0 (1+αT) Fuente de tensión: Fuente de corriente: αt Vo V 4 αt Vo IR0 4

23 Medida a cuatro hilos i=0 + I ( 1mA) V o - i=0 RTD V o es directamente proporcional a R T La longitud de los cables no introducen error. Para reducir el error producido por las resistencias de los hilos en medidas de buena precisión se suele utilizar la conexión a 4 hilos de la figura. La corriente por los cables de medida será despreciable debido a la alta impedancia de entrada del circuito de medida. La caída de tensión en los cables de conexión de la fuente de corriente no afecta a la medida ya que la fuente de corriente asegura que la corriente por R T es constante y de valor I. Este tipo de medida a 4 hilos se encuentra disponible en multímetros de gama media para la medida precisa de resistencias en general. Incluso algunos incorporan en su software rutinas de conversión a temperatura para los sensores resistivos más comunes, como las RTD.

24 4.5 Termopares Metal 1 Metal 1 Efecto Seebeck (1882) T 1 T 2 Metal 2 Metal 1 T 2 + T 1 - V = α (T 1 -T 2 ) α = coeficiente de Seebeck (µv/ºc) Metal 2 T 2 El principio de funcionamiento del termopar está basado en el efecto Seebeck según el cual si se tienen dos conductores distintos homogéneos formando un circuito cerrado y una de las uniones está a una temperatura T 1 y la otra a una temperatura diferente T 2, aparece una fuerza electromotriz que da lugar a la circulación de una corriente que se mantiene mientras las temperaturas sigan siendo diferentes. Si se abre el circuito, lo que se observa es la aparición de una tensión entre los terminales. Realmente en este efecto no se requiere que los dos metales sean iguales, lo que ocurre es que si los dos metales son iguales la tensión que mediríamos sería nula ya que las fuerzas termoelectromotrices (f.t.e.m.) generadas serían iguales y la tensión en los extremos nula. Los termopares son los sensores más utilizados a nivel industrial para la medida de temperatura. Tienen margen de medida grande, velocidad de respuesta rápida (ms), son estables, robustos y muy fiables. Para temperaturas bajas tienen mayor exactitud que las RTD. Dado que no requieren excitación no tienen problemas de autocalentamiento. Además permiten el uso de hilos de conexión largos.

25 Termopares comunes Tipo J Composición (+) (-) Fe - Constantán Campo de medida recomendado (ºC) Coef. Seebeck 51 Atmósferas de aplicación Reductora, inerte K Chromel - Alumel Inerte, subcero N Nicrosil - Nisil Oxidante T R S Cu - Constantán 13%Pt 87%Rh - Pt 10%Pt 90%Rh - Pt Oxidante, inerte reductora, subcero Oxidante, inerte Altas temp. Oxidante, inerte Altas temp. B 30%Pt 70%Rh 6%Pt 94%Rh Oxidante, inerte Altas temp. Constantán: Cu-Ni; Chromel: Ni-Cr; Alumel: Ni-Al; Nicrosil:Ni-Cr-Si; Nisil: Ni-Si-Mg Aunque el termopar puede construirse con dos metales diferentes cualesquiera, la necesidad de una elevada sensibilidad (coeficiente de Seebeck alto), estabilidad a lo largo del tiempo, linealidad, etc. ha llevado a que tan sólo se utilicen determinados materiales dando lugar a diferentes tipos. Los termopares J, K, N y T se denominan termopares de metales base porque están hechos de metales comunes. El termopar tipo J es apropiado para atmósferas inertes o reductoras. Las atmósferas oxidantes disminuyen la vida útil debido a la presencia de hierro en el termopar que, además, se oxida muy rápidamente por encima de 538ºC. No es adecuado para bajas temperaturas (por debajo de 0ºC). El tipo K es muy utilizado por encima de 538ºC debido a las limitaciones del termopar de tipo J. El cromo tiende a oxidarse ante la presencia de oxígeno lo que puede llevar a importantes derivas en el margen de 816 a 1038ºC. El tipo N se utiliza en aplicaciones donde el termopar de tipo K tiene problemas de oxidación. El tipo T es adecuado para atmósferas oxidantes, inertes y reductoras. Los termopares R, S y B se conocen como termopares de metales nobles porque están hechos de platino y rodio. Se utilizan cuando las temperaturas a medir son muy elevadas y exceden los márgenes que se pueden alcanzar con los metales base o cuando hay problemas de oxidación o de corrosión.

26 Forma típicas Labfacility Termopar industrial Aislamiento mineral Termopar con lámina adhesiva Termopar de abrazadera Hay una amplia gama de tipos de termopar, terminaciones y acabados. En el nivel más básico, existen termopares fabricados a partir de dos conductores desnudos con su unión de medida soldada. El cable puede estar aislado según las necesidades y características de la aplicación. El tipo de termopar más utilizado actualmente, tanto por sus prestaciones como por su fiabilidad, es el llamado termopar de aislamiento mineral. Se caracteriza porque los conductores se encuentran insertados en una vaina metálica cerrada y sellada herméticamente. Los conductores se encuentran aislados entre si y con respecto a la vaina (si la unión de medida está aislada), mediante oxido de magnesio compacto. Este tipo de fabricación permite conseguir diámetros desde 0,25mm a 10,8 mm. Las longitudes de la vaina pueden variar desde unos pocos mm hasta varios metros.

27 Tipo de aislamiento Unión expuesta Unión a masa Unión aislada Termopares con unión expuesta: recomendados sólo para realizar medidas de temperatura en gases estáticos o de flujos si no son corrosivos, donde es necesario obtener una rápida respuesta (0,1s). En la mayoría de los casos se recomienda la utilización de termopares con la unión de medida aislada y protegida mediante vainas para aplicaciones con líquidos y gases corrosivos, en perjuicio del tiempo de respuesta. Termopares con unión a masa: el termopar está soldado al extremos de la vaina, es idónea para su aplicación con gases y líquidos corrosivos, así como para aplicaciones de alta presión donde se requiera una respuesta térmica rápida (unos 2s). Termopares de unión aislada: la unión está separada de la cápsula mediante aislante eléctrico de elevada conductividad térmica (normalmente óxido de magnesio). Resulta adecuado, por ejemplo, para medir temperaturas de líquidos conductores. El tiempo de respuesta suele rondar los 5s.

28 Curvas características La unión de referencia a 0ºC La tensión entre los terminales del termopar depende de los metales y de la diferencia de temperatura entre las dos uniones. La figura de la izquierda muestra las curvas de calibración de varios termopares suponiendo que la temperatura de una de las uniones está a 0 ºC. Esta tensión es repetible pero no es lineal. Para mostrar con más claridad esta no linealidad en la figura de la derecha se ha representado la variación del coeficiente de Seebeck con la temperatura.

29 Leyes termométricas Ley de los circuitos homogéneos T 3 T 2 + T 1 - T 2 V = α (T 1 -T 2 ) Ley de los metales intermedios T 1 T 3 T 3 T 2 + M 1 M 1 M 3 M 2 - T 2 V = α (T 1 -T 2 ) Ley de las temperaturas intermedias + T 1 T 2 V T1,T2 - T 2 T 3 + T 2 V - T2,T3 T 3 T + 3 T 1 V T1,T2 +V T2,T3 - T 3 Del estudio experimental de los termopares se dedujeron tres leyes, denominadas leyes termoeléctricas, que resumen su comportamiento: Ley de los circuitos homogéneos: La tensión generada por un termopar cuyas uniones se encuentran a las temperaturas T 1 y T 2 no depende de la temperatura a la que se encuentren los puntos intermedios. Ley de los metales intermedios: Si se introduce un tercer metal en serie con uno de los que constituyen el termopar, la tensión generada por el termopar no varía siempre que los extremos del metal insertado se encuentren a la misma temperatura. Ley de las temperaturas intermedias: Si V T1,T2 es la tensión generada por un termopar cuyas uniones están a las temperaturas T 1 y T 2, y V T2,T3 es la tensión cuando están a T 2 y T 3. La tensión V T1,T3, cuando las uniones están a las temperaturas T 1 y T 3 es igual a V T1,T2 + V T2,T3.

30 Curvas de calibración ºC Tensión termoeléctrica (mv) ºC Una de las uniones a 0ºC Las curvas de calibración de los termopares se encuentran recogidas en una serie de tablas como la de la figura en las que muestran la tensión del termopar suponiendo que una de las uniones está a 0 ºC. Aplicando la ley de las temperaturas intermedias podemos conocer la curva de calibración del termopar para cualquier temperatura.

31 Efectos de las unidades parásitas Metal 1 Cu Voltímetro T 1 T 2 Metal 2 Cu Las uniones parásitas no influyen si están a la misma temperatura. Conector isotérmico Para medir la tensión en un termopar se necesita unir los terminales del mismo con el equipo de medida. Estas uniones dan lugar a dos nuevos termopares. Se puede demostrar a partir de la ley de los metales intermedios que si las nuevas uniones están a la misma temperatura, la tensión medida en estas condiciones corresponde a la que presenta el termopar original. La tensión termoeléctrica entre cada una de las nuevas uniones y el equipo es idéntica por lo que se cancelan en la medida. Por el mismo motivo, las soldaduras internas del voltímetro no influyen si se encuentran a la misma temperatura. Para garantizar que las uniones con el equipo se encuentren a la misma temperatura se suelen utilizar unos conectores especiales isotérmicos que garantizan una distribución uniforme de la temperatura de forma que ésta sea idéntica en las dos uniones.

32 Acondicionamiento de señal 1) Conocer la temperatura de la unión de referencia 2) Amplificar la tensión del termopar Metal 1 Cu + T 2 T1 - V = α(t 1 T 2 ) Metal 2 Cu Como se ha visto el termopar proporciona una tensión de pequeño valor proporcional a la diferencia de temperaturas entre dos uniones. Por ello el acondicionamiento de señal consistirá por un lado en realizar una amplificación de la tensión del termopar y por otro en conocer la temperatura de la unión de referencia con objeto de compensar su efecto. Si el margen de variación de la temperatura ambiente es menor que la resolución deseada, puede dejarse la unión de referencia al aire.

33 Compensación mediante tª de referencia constante Metal 1 Cu T 1 Metal 2 Cu A V = AαT 1 Hielo fundente T 2 = 0ºC Calibraciones en laboratorios Error: 0,001ºC Una solución consiste en introducir una unión en un baño de hielo fundente. Bien construido, el error puede ser de unos 0,001ºC. Se trata de un método de referencia pero es difícil de llevar a cabo por lo que se suele utilizar únicamente en laboratorios para realizar calibraciones. Se puede mantener también la unión de referencia a una temperatura constante a basa de emplear una célula Peltier o un horno termostato.

34 Compensación analógica V = V + V T,T T,0 0,T V = V + V T,0 T,T T, T 1 T Cu V T,0 V Sumador T,T Cu Sensor temperatura Acondicionador V T,0 2 La compensación analógica consiste en sumar a la tensión que proporciona el termopar V T1,T2 la tensión V T2,0 que correspondería al mismo termopar en el que las temperaturas de la uniones fueran T 2 y 0ºC. Para obtener V T2,0 es necesario medir la temperatura de la zona de referencia con otro sensor y realizar un circuito de acondicionamiento que proporcione dicha tensión. A partir de la tensión resultante, la temperatura de la zona de medida se obtiene directamente de las tablas.

35 4.6 Pirómetros de radiación Radiación térmica, Φ i Conversión térmica Conversión térmica-eléctrica Conversión eléctrica τ F Φ T P Q P V S Cualquier cuerpo a una temperatura superior a 0 K emite radiación electromagnética debido a la vibración que experimentan las partículas, átomos y moléculas del cuerpo. Esta radiación se denomina radiación térmica. Los sensores piroeléctricos son detectores de radiación térmica en el IR. Estos sensores están formados, como se muestra en la figura, por un pequeño condensador, constituido por una pastilla muy fina de material cerámico ferroeléctrico con dos electrodos en su superficie sobre los cuales se induce una carga eléctrica por efecto piroeléctrico. Entre los materiales que más se utilizan como dieléctrico están el sulfato de triglicina (TGS), el tantalato de litio. El flujo de radiación ΔΦ emitido por la fuente atraviesa un filtro optico de coeficiente de transmisión τ F que deja pasar solo la radiación IR. Esta energía llega al detector que absorbe esta energía y provoca un cambio de temperatura ΔT. Por efecto piroeléctrico, se produce la conversión termica-eléctrica generándose una carga en los electrodos del sensor que posteriormente se transforma en una señal de tensión.

36 Acondicionamiento C fb R f 1/jωC P + R G v o + 1/jωC P v o Modo tensión Alta relación S/N Baja sensibilidad a la temperatura Se suele apantallar Modo corriente Más complejo Mayor ruido InfraTec El circuito equivalente del sensor se caracteriza por una alta impedancia de salida y una corriente extremadamente baja por lo cual debe utilizarse un amplificador con una alta impedancia de entrada. Para realizar el acondicionamiento puede emplearse un seguidor de tensión o un amplificador de carga. Los sensores piroeléctricos en modo tensión proporcionan una alta relación S/N y presenta baja sensibilidad a la temperatura. Muestran una gran sensibilidad a interferencias acústicas, térmicas y electromagnéticas por lo que suelen apantallarse o encapsularse herméticamente (sensor y amplificador) para reducir los efectos de los movimientos de aire. Los sensores piroeléctricos en modo corriente son menos utilizados que en modo tensión, más que nada porque su circuito es más complejo y la mayoría de las aplicaciones de los sensores piroeléctricos son para la detección de luz o la detección de movimiento.

37 Termómetro IR Objeto Sistema óptico Sensor de tª del obturador Display Sensor piroeléctrico A v ir MPX µp Diodo fotodiodo Como hemos visto un sensor piroeléctrico responde sólo a los cambios en la temperatura del material y no al valor estático de la temperatura. No obstante la medida estática de temperatura, puede realizarse si se pulsando el flujo de radiación. La figura muestra el esquema de un termómetro de IR en que el flujo de radiación de varía mediante un disco ranurado. La rotación del disco se sincroniza con un microcontrolador por medio de un optoacoplador. La salida del amplificador es una señal alterna cuya magnitud depende de la radiación IR incidente y de la velocidad de giro del elemento obstructivo. En los termómetros IR hay dos parámetros críticos que deben comprenderse para asegurar que las medidas de temperatura obtenidas sean del todo correctas: Resolución óptica: relación entre la distancia al objeto y el área de medida. Emisividad (ε): relación entre la energía que emite un cuerpo por unidad de superficie y por unidad de tiempo y la que emitiría un cuerpo negro (ε=1) en las mismas condiciones. En los termómetros IR de bajo coste la emisividad suele ser fija (0,95), por lo que sólo serán utilizados para la medida de temperatura de objetos cuya superficie no sea altamente reflectiva.