Transductores TALLER DE TECNOLOGÍA IV: INSTRUMENTACIÓN. GUIA No. 2 TRANSDUCTORES

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1 TALLER DE TECNOLOGÍA IV: INSTRUMENTACIÓN GUIA No. 2 TRANSDUCTORES Prof. Ander J. Miranda. Un transductor es un dispositivo capaz de transformar o convertir un determinado tipo de energía de entrada, en otra de diferente a la salida, con la finalidad de obtener información de entornos físicos o químicos y conseguir (a partir de esta información) señales o impulsos eléctricos o viceversa. Es un dispositivo usado en muchas áreas de ciencia, tales como: en la medicina, en la agricultura, en robótica, en aeronáutica, en la industria, etc. Tipos de transductores Existe una gran variedad de transductores, a continuación se nombran algunos 1.-de posición y proximidad: -finales de carrera. -detectores inductivos y capacitivos. -detectores fotoeléctricos. -detectores ultrasónicos. 2.-de desplazamiento: -potenciómetros lineal y angular. -transformador diferencial. -encoder lineal -medidor lásser. 3.-de velocidad y posición angulares. -dínamo tacométrica. -encoder incremental -encoder absoluto 4.-de fuerzay presión. -galgas extensiométricas. -sensor piezoeléctrico. -tubo bourdon. -transductor resistivo 5.-ópticos -fotoresistencia (ldr) -fotodiodo. -fototransistor. -diodo emisor de luz (led). 6.-de temperatura. -termoresistencias (rtd). -termopares. -termistores (ntc, ptc) -pirómetros de radiación. 7-de caudal. -tubo venturi. -sonda ultrasónica. En esta guía de estudio se analizaran solamente algunos de ellos, específicamente aquellos más utilizados en control de procesos y, por lo tanto, los que se utilizaran en las prácticas de taller, tales como los transductores de temperatura, de presión y de nivel

2 I.- TRASDUCTORES DE TEMPERATURA. La temperatura es uno de los fenómenos físicos que con mayor frecuencia se mide en los procesos industriales. Esta se mide básicamente a partir de cambios en las propiedades de diversos materiales al ser influidos por la temperatura entre los cuales podemos contar: a) Variaciones en el volumen o en el estado de los cuerpos (sólidos, líquidos o gases). b) Variaciones en la resistencia de algún conductor (sondas de resistencias). c) Variación en la resistencia de algún semiconductor (termistores). d) Fuerza electromotriz generada en la unión de dos metales distintos (termopares). e) Intensidad de la radiación emitida por un cuerpo (pirómetros de radiación). f) Fenómenos utilizados en el laboratorio (velocidad del sonido de un gas, frecuencia de resonancia de un cristal, etc). Definición de Temperatura La temperatura está definida como la energía promedio por molécula de un material. Existen cuatro tipos de unidades para la medición de temperatura que primordialmente definen escalas de temperatura. Para definir las escalas de temperatura se utilizan diferentes puntos de calibración. Para cada una de las escalas, la energía promedio por molécula se define a partir de condiciones existentes entre los estados o fases sólida, líquida y gaseosa de algunos materiales puros. Escalas de temperatura absolutas. Son aquellas donde se designa como la unidad de temperatura cero a aquella donde no existe energía térmica. Las dos unidades para medición de temperatura absoluta son el Kelvin y el Rankine, y difieren entre sí sólo por la cantidad de energía representada por una unidad de medición. La relación entre ambos sistemas es: T(K) =59T(R) Escalas de temperatura relativas. Son aquellas donde el cero de la escala no equivale a cero energía térmica. Existen dos unidades de este tipo denominadas escalas Celsius y Farenheit respectivamente con unidades en grados centígrados (oc) y grados Farenheit (of) relacionadas con las escalas Kelvin y Rankine respectivamente a partir de las relaciones: T(oC) = T(K) T(oF) = T(K) La transformación de las unidades Celsius a Farenheit está dada por: T(oF) =(9/5) T(oC)

3 Son numerosos los tipos de sensores que se han desarrollado a tal fin, entre los cuales están los detectores de temperatura resistivos, los termistores, los circuitos integrados lineales, los termopares, otros. La selección de cada dispositivo dependerá de la adecuación de sus características estáticas y dinámicas a la aplicación que lo requiere. TRANSDUTORES DE TEMPERATURA RESISTIVOS (RTD) Características y principio operativo Los detectores de temperatura resistivos (RTD; Resistive Temperature Detector) son sensores de temperatura estables y precisos. Su rango de medida abarca de 200 ºC a 800 ºC. Por ejemplo, el RTD de platino es el más estable y preciso detector de temperatura en el rango ºC. El material de fabricación hace variar el rango de medida respecto del anterior pero no de forma apreciable. En consecuencia, estos transductores se emplean en aplicaciones que requieren alta exactitud y repetibilidad, como control de calidad de alimentos y aplicaciones farmacéuticas. La exactitud suele expresarse como un porcentaje de la resistencia nominal a una temperatura dada. Por ejemplo, la IEC1 especifica un RTD de clase B como 100 W ± 0,12 % a 0 ºC. El principio operativo del RTD consiste en que la resistencia de la mayoría de los metales aumenta con la temperatura. Un metal apto para aplicaciones con el RTD debería poseer las siguientes características: Elevada resistividad, con el fin de economizar material. Cambio en la resistividad con la temperatura adecuado a la resolución deseada, y lineal para simplificar el mecanismo de conversión. Propiedades mecánicas que hacen el dispositivo fiable. La mayoría de los RTD son de platino porque, además de verificar las anteriores características, es un material muy resistente a la contaminación y sus propiedades se mantienen a largo plazo. Configuraciones de medida Los RTD s no necesitan una referencia para su conexión a una unidad de medida. A pesar, de que parece fácil su conexión a un multímetro hay que considerar que no se trata de medir la resistencia simplemente y luego convertir a temperatura, sino que se requiere la adopción de medidas para mediciones de baja resistencia. TRASNDUCTORES DE TEMPERATURAS POR TERMISTORES Características y principio de operación El término proviene del inglés thermistor (thermally sensitive resistor), y es un transductor de temperatura resistivo (componente semiconductor pasivo) de alta resistencia que se emplea con mucha frecuencia en aplicaciones de adquisición de datos

4 Su coeficiente de temperatura puede ser positivo (PTC; Positive Temperatura Coefficient) o negativo (NTC; Negative Temperature Coefficient); termistores NTC se emplean con mayor frecuencia. Pueden fabricarse en pequeños tamaños y de una amplia gama de valores resistivos; sin embargo, están sujetos a errores por autocalentamiento. En término medio, su coeficiente de temperatura es notablemente mayor que el de los RTD s. Su rango de medida es menor en término medio que el de los RTD s y termopares (-50 ºC a 150 ºC), debido a que son poco lineales; aunque hay excepciones (algunos superan los 300 ºC). En consecuencia, a diferencia de los RTD que son de propósito general, se emplean en aplicaciones que requieren medidas sensibles sobre un rango pequeño de temperatura. TRANSDUCTORES DE TEMPERATURA POR TERMOCUPLAS O TERMOPARES Características y principio de operación Los termopares son probablemente los sensores de temperatura más extendidos (industria y laboratorios). Se emplean en situaciones de adquisición masiva de datos, muchos datos por muchos canales; en equipos para el control de procesos y medidas automáticas. Incluso se puede disponer de tarjetas y multímetros que incluyen la opción de medida con termopar entre sus posibilidades de operación. A pesar de lo extendido de su empleo, no es sencillo lograr el correcto manejo de transductor, debido a que existen muchos tipos de termopares y sus datos requieren tratamiento para obtener resultados válidos. El principio operativo del termopar reside en el efecto Seebeck. A principios del siglo XIX (1812) Thomas Seebeck descubrió que la unión de dos metales distintos generan un potencial (una corriente continua si el circuito es cerrado) función de la temperatura a la que se somete la unión. La siguiente figura muestra la generación de corriente en un circuito cerrado. Un termopar consta de dos aleaciones distintas unidas por un extremo, que constituye el punto sensible del transductor. Si el circuito se abre, la tensión en abierto se denomina tensión Seebeck (V AB )

5 Para pequeños cambios de temperatura, la relación entre esta tensión vab y la temperatura es aproximadamente lineal; la constante de proporcionalidad es el coeficiente Seebeck, a, que depende de las aleaciones que constituyen el termopar: V AB = α.t En los termopares reales α (alpha) es función de la temperatura; pero a efectos prácticos no se considera su dependencia. Configuraciones de medida No se puede medir directamente la tensión Seebeck con un multímetro porque las pinzas del instrumento originan termopares parásitos que enmascaran la medida. Consideremos por ejemplo un termopar tipo T, cobre/constantan (Cu/C); como indica la siguiente figura (figura 8), se conecta a un multímetro. En condiciones ideales, la lectura en el multímetro digital correspondería sólo a la fuerza termoelectromotriz V 1. En la práctica, sin embrago aparecen dos tensiones térmicas adicionales, V 2 y V 3. Ya que la unión 3 es Cu/Cu, V 3 = 0; pero l tension V 2 es diferente de cero porque la unión es de dos metales diferentes (cobre y constatan). Por tanto, para determinar la temperatura de interés es necesario calcular previamente la temperatura de la unión U 2. En efecto, como las dos uniones son Cu/C: V = V α 1 V2 = ( T1 T2 ) La unión U2 se denomina de referencia, y si permanece a 0 ºC la tensión V es directamente proporcional a la temperatura de interés. Por ello, una solución para eliminar T2 consiste en

6 introducir la unión de referencia en un baño de hielo con el fin de conseguir la exactitud de los 0 ºC del punto de hielo, esta referencia se emplea para confeccionar las tablas de los termopares. La siguiente figura (figura 9) muestra una configuración de un termopar Fe/C (tipo J) conectado al multímetro con el fin de plantear una situación con más uniones parásitas. Este circuito consigue plantear situaciones de medida precisas, ya que las tensiones de los termopares parásitos, que son idénticos, se compensan. Sin embargo, si los dos terminales del panel frontal están a distintas temperaturas, las tensiones V 3 y V 4 no coinciden. En estas situaciones, se emplea un bloque isotérmico que mantiene a las uniones U 3 y U 4 a la misma temperatura. La temperatura absoluta del bloque isotérmico no tiene relevancia ya que, como indica la figura 9, las uniones 3 y 4 se sitúan en oposición, y sus fuerzas termo-electromotrices se compensan. Este bloque es un aislante eléctrico pero un buen conductor de calor. En esta situación se cumple: V = α ( T REF = αt 1 T ) 1 El enfoque del baño de hielo ofrece lecturas exactas, pero no es precisamente el accesorio más indicado para un sistema de adquisición de datos y, además, seguimos teniendo que conectar dos termopares. El primer paso hacia la simplificación es eliminar el baño de hielo. Si medimos Tref con un dispositivo de medida de temperaturas absolutas (como por ejemplo un RTD) y compensamos el resultado matemáticamente, no tenemos necesidad de forzarlo a 0 ºC. Por lo tanto el circuito definitivo se obtiene por eliminación del baño de hielo, situando las uniones 3 y 4 y la de referencia en el mismo bloque isotérmico a la temperatura TREF. En consecuencia, se verifica la relación: V = α ( T 1 T REF ) La configuración definitiva se muestra en la figura 10. En ella se aprecian las tres uniones a la misma temperatura

7 Linealización La relación de proporcionalidad entre la tensión y la temperatura es una aproximación. De hecho, la mayoría de los termopares se alejan de la linealidad. Varios son los procedimientos que permiten obtener la temperatura a partir de la tensión medida. El más común consiste en una combinación de aproximación lineal por tramos y el empleo de tablas. Por ejemplo, para un termopar tipo J con la unión de referencia a 25 ºC, la tensión de la tabla es Vref = 1,019 mv (punto frío) y la unión de medida (punto caliente). V1 = 5,278 mv. En consecuencia, la lectura del multímetro es: V = V VREF = 5,278 1,019 4, 249mV 1 = En la práctica, a partir de esta medida se obtiene la temperatura de interés en la unión caliente T1. En la siguiente figura se muestra las partes de una termocupla. La característica más importante de los termopares para su utilización como sensores de temperatura es que son dispositivos que presentan gran linealidad (como se muestra en la siguiente figura) dentro de su rango de operación y su costo es reducido

8 En la siguiente tabla se clasifican las termocuplas de acuerdo al rango de operación y a la combinación de aleaciones de los componentes: Thermocouple Type B C Names of Materials Platinum30% Rhodium (+) Platinum 6% Rhodium (-) W5Re Tungsten 5% Rhenium (+) W26Re Tungsten 26% Rhenium (-) Useful Application Range ( F ) mv E Chromel (+) ; Constantan (-) J Iron (+) ; Constantan (-) K Chromel (+) ; Alumel (-) N Nicrosil (+) ; Nisil (-) R Platinum 13% Rhodium (+) ; Platinum (-) S Platinum 10% Rhodium (+) ; Platinum (-) T Copper (+) ; Constantan (-) Los coeficientes de Seebeck y las tensiones de salida resultantes son números pequeños (ver la siguiente tabla), por lo que resulta difícil medir con exactitud tanto los niveles absolutos como los cambios relativos. En este punto el ruido eléctrico puede alterar la precisión de las medidas de temperatura. El acoplamiento magnético y electrostático se reduce utilizando cable de par trenzado, reduciendo al mínimo la longitud de los hilos conductores y permaneciendo alejado de campos magnéticos y eléctricos intensos. Por último, pero no por ello menos importante, se necesita instrumentación capaz de realizar medidas de bajo nivel limpias

9 Coeficiente de Seebeck Tipo de Termopar a 0 ºC a 100 ºC Tensión de salida a 100 ºC B -0,25 V/C 0,90 V/C 0,033 mv E 58,7 V/C 67,5 V/C 6,32 mv J 50,4 V/C 54,4 V/C 5,27 mv K 39,5 V/C 41,4 V/C 4,10 mv S 5,40 V/C 7,34 V/C 0,65 mv Midiendo la tensión de Seebeck bajo las condiciones indicadas en la tabla anterior se puede determinar el tipo de termocupla. Selección de Transductores de temperatura Con tantos transductores, con cuál nos quedamos?. Ningún transductor es el mejor en todas las situaciones de medida, por lo que tenemos que saber cuándo debe utilizarse cada uno de ellos. En la siguiente tabla se comparan cuatro tipos de transductores de temperatura más utilizados, y refleja los factores que deben tenerse en cuenta: las prestaciones, el alcance efectivo y el precio. Ventajas Desventajas Más estable. preciso. RTD Termistor Sensor de IC Termopar Más Más lineal que los Termopares. Caro. Lento. Precisa fuente de alimentación. Pequeño cambio de resistencia. Medida de 4 hilos Autocalentable Alto rendimiento Rápido Medida de dos hilos No lineal. Rango de temperaturas limitado. Frágil. Precisa fuente de alimentación. Autocalentable El más lineal El de más alto rendimiento Económico Limitado a < 250 ºC Precisa fuente de alimentación Lento Autocalentable Configuraciones limitadas Autoalimentado Robusto Económico Amplia variedad de formas físicas. Amplia gama de temperaturas No lineal Baja tensión Precisa referencia El menos estable El menos sensible

10 ACTIVIDADES PRE-LABORATORIO: CUESTIONARIO: 1. Defina Transductor. 2. Mencione siete tipos de transductores según su aplicación. 3. Qué es un transductor de temperatura? 4. Definir el concepto de temperatura. 5. Explique la diferencia entre una escala de temperatura absoluta y una escala de temperatura relativa. 6. Calcule el equivalente en grados centigrados de 20 O F. 7. Explique el funcionamiento de un RTD. 8. Qué es un termistor?. 9. Explique el funcionamiento de una termocupla. 10. Dada una termocupla cuyo tipo de termocupla es desconocido. Explique un procedimiento para determinar el tipo de termocupla. MATERIALES QUE DEBEN TRAER CADA GRUPO DE TRABAJO: 1. Una vela o velón. 2. Un tobo o un pequeño contenedor con hielo. ACTIVIDADES EN EL LABORATORIO: 1. Identifique los transductores de temperatura suministrados. Realice un dibujo o tome una foto de los mismos e identifique sus partes. 2. Identificación de una termocupla mediante la medición de la tensión de Seebeck. 3. Con la termocupla suministrada, realice una curva de calibración de la misma, usando como patrón las medidas tomadas con el multímetro suministrado. 4. Realice una curva de calibración del trasnductor/transmisor de temperatura RTD sumistrado (con indicación de temperatura), tomando las mediciones de voltaje con el voltímetro. 5. Tome datos de la apreciación del multímetro. ACTIVIDADES POST-LABORATORIO 1. Calcule el error porcentual del voltaje de Seebeck obtenido en la determinación del tipo de termocupla (tome como valor verdadero o exacto la tensión suministrada por la tabla de Tensiones de Seebeck)