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Termistores y termocuplas
Autores: Daniel Galizzi, Matías Campanini, Pablo Sigl.
Especialidad: Electrónica.
Profesor: Vegetti Oscar.
Año: 2015
Índice.
Termocupla.
* Principio de funcionamiento.
* Rango y alcance.
* Tención y corriente de entrada y salida.
* Conexionado.
* Clasificación, tipos y subtipos.
* Grado de protección IP.
* Ejemplo de aplicaciones.
Termistores.
* Principio de funcionamiento.
* Rango y alcance.
* Tención y corriente de entrada y salida.
* Conexionado.
* Clasificación, tipos y subtipos.
* Grado de protección IP.
* Ejemplo de aplicaciones.
Termistores.
Principio de funcionamiento
El funcionamiento de los termistores está en la dependencia de la resistencia de
los semiconductores con la temperatura, debida a la variación con esta del número
de portadores. Al aumentar la temperatura lo hace también el número de
portadores reduciéndose la resistencia, y de ahí que presenten coeficiente de
temperatura negativo. Esta independencia varía con la presencia de impurezas, y
si el dopado es muy intenso, el semiconductor adquiere propiedades metálicas
con coeficiente de temperatura pasivo (PTC) en un margen de temperaturas
limitado. Para las NTC, en un margen de temperatura reducido (50ºC), la
dependencia se puede considerar de tipo exponencial.
Partes constitutivas:
Los termistores más comunes se fabrican dealambresfinos soportados y
encapsulados por un materialaislante. El elemento encapsulado se inserta dentro
de una vaina o tubo metálico cerrado en un extremo que se llena con un polvo
aislante y se sella con cemento para impedir que absorba humedad.
Clasificación (tipos y subtipos):
Existen dos tipos de termistor:
• NTC (Negative Termal Coefficient) coeficiente de temperatura negativo:
Fabricados de una mezcla de óxidos de magnesio, níquel, cromo, cobalto, cobre,
hierro y moldeados en un cuerpo cerámico de varios tamaños.
•
PTC (Positive TemperatureCoefficient) coeficiente de temperatura
positivo:
Son resistencias que principalmente están compuestas de bario y estroncio con
titanio. La adición de dopantes hace que el componente semiconductor dé una
característica de resistencia con respecto a la temperatura, aunque son muy poco
utilizados.
Según su forma se clasifican en:
Tipo perla: es una pequeña perla de material termistor con un par de terminales.
Tipo disco: su apariencia es la misma que la del típico condensador cerámico de
disco. Son fabricados mediante un preparado de polvo de óxido metálico
mezclado con amalgama especial y comprimido a una gran presión.
Tipo chip: se utiliza una mezcla similar a la empleada en los termistores de perla.
Este material se deja secar sobre una superficie de material cerámico que es
cortado en pequeñas secciones en forma de oblea y sometido a altas
temperaturas.
Tipo barra: tienen la misma apariencia de las típicas resistencias. Constan de un
cuerpo cilíndrico de material termistor y de un terminal en cada extremo de la
barra en forma radial o axial.
Ejemplos de Aplicaciones.
La elevada sensibilidad a variaciones de temperatura hace que el termistor resulte
muy adecuado para mediciones precisas de temperatura, utilizándolo
ampliamente para aplicaciones de control y compensación en el rango de 150ºC a
450ºC. Sirven para la medición o detección de temperatura tanto en gases como
en líquidos o sólidos.A causa de su muy pequeño tamaño, se los encuentra
normalmente montados en sondas o alojamientos especiales que pueden ser
específicamente diseñados para posicionarlos y protegerlos adecuadamente
cualquiera sea el medio donde tengan que trabajar.
Existen tres tipos de aplicaciones:
• Aplicaciones en las que la corriente que circula por los termistores no es capaz
de producirles aumentos apreciables de temperatura y por tanto la resistencia
del termistor depende únicamente de la temperatura del medio ambiente en que
se encuentra.
• Aplicaciones en las que su resistencia depende de las corrientes que lo
atraviesan.
• Aplicaciones en las que se aprovecha la inercia térmica, es decir, el tiempo que
tarda el termistor en calentarse o enfriarse cuando se le somete a variaciones
de tensión.
.
Rango y alcance.
En algunos casos, la resistencia de un termistor a la temperatura ambiente puede
disminuir en hasta 6% por cada 1ºC de aumento de temperatura. Esta elevada
sensibilidad a variaciones de temperatura hace que el termistor resulte muy
adecuado para mediciones precisas de temperatura, utilizándoselo ampliamente
para aplicaciones de control y compensación en el rango de 150ºC a 450ºC.
Los termistores no sirven para la medición de temperatura dentro de alcances
amplios puesto que sus variaciones de resistencia son demasiado grandes para
que puedan medirse de una manera adecuada con un solo instrumento; alcances
de
alrededor
de
100K
suelen
ser
lo
máximo
admisible.
Los termistores resultan particularmente útiles para medir alcances reducidos de
temperatura justamente a causa de sus grandes variaciones de resistencia; por
ejemplo, la resistencia de un termistor típico varía 156 ohms de 0ºC a 1ºC ,
mientras la del platino varía tan sólo 0,385 ohm.
Conexionado.
Un método de conexión de 3 cables o 4 cables puede eliminar los efectos de
resistencia de la terminal del cable. La conexión coloca las terminales en una
trayectoria de alta impedancia a través del dispositivo de medida, eliminando de
manera efectiva los errores causados por la resistencia de la terminal del cable.
No es necesario usar un método de conexión de 3 o 4 cables para termistores ya
que éstos generalmente tienen valores de resistencia nominal más altos que los
RTDs.
.
Grado de protección IP.
1º cifra característica
2 cifra característica
Protección del material
contra la penetración de
cuerpos sólidos
extraños
Protección de
las personas
contra el
acceso a las
partes
peligrosas
0- (no protegido)
(no protegido)
1-de diámetro 50mm
Dorso de la
mano
Dedo
2- de diámetro12.5mm
3- de diámetro 2.5mm
4- de diámetro 1.0 mm
5-protegido contra el
polvo
6-estanco al polvo
Herramientas
2.5mm
Hilo 1mm
Hilo 1mm
Hilo 1mm
Letra
adicional
Protección del
Protección de
material contra la
las personas
penetración de agua contra el
con efectos nocivos acceso a las
partes
peligrosas
con
0-(no protegido)
A- dorso de la
mano
1-gotas de agua
B-dedo
verticales
2-gotas de agua (
C15 de inclinación)
herramienta
2.5mm
3-lluvia
D-hilo 1mm
4-proyeccion de
agua
5- proyección con la
lanza de agua
6-proyeccion
potente con lanza
7-inmersion
temporal
8-inmersion
prolongada
Tención y corriente de entrada y salida.
Los termistores se destacan por no conducir corriente ni tención, es decir, funciona
como una llave abierta.
Curvas de variación de resistencia NTC-PTC
La curva del termistor se puede linealizar con una resistencia montada en paralelo
con la NTC. Pero en cambio no siempre es lineal, tiene forma curva, pero cuando
incrementa la temperatura también aumenta la resistencia así constantemente
hasta llegar a la forma lineal.
TERMOCUPLAS.
Las termocupla son el sensor de temperatura más común utilizado
industrialmente. Una termocupla se hace con dos alambres de distinto material
unidos en un extremo (soldados generalmente). Al aplicar temperatura en la unión
de los metales se genera un voltaje muy pequeño (efecto Seebeck) del orden de
los mili volts el cual aumenta con la temperatura.
El principio de funcionamiento de las termocuplas se basa en tres principios
físicos, que son:
• Efecto Thomson (1851): un gradiente de temperatura en un conductor
metálico está acompañado por un gradiente de voltaje, cuya magnitud y signo
depende del metal que se esté utilizando.
• Efecto Peltier (1834): consiste en que cuando una corriente eléctrica fluye a
través de una juntura de dos metales diferentes, se libera o absorbe calor.
Cuando la corriente eléctrica fluye en la misma dirección que la corriente
Seebeck, el calor es absorbido en la juntura caliente y liberado en la juntura
fría.
• Efecto Seebeck (1821): al unir dos alambres de materiales diferentes
formando un circuito, se presenta una corriente eléctrica cuando las junturas
se encuentran a diferente temperatura. Esto es debido a la combinación de los
dos efectos anteriores.
También se emplean las siguientes leyes físicas:
•
Ley del circuito homogéneo: En un conductor metálico homogéneo no
puede sostenerse la circulación de una corriente eléctrica por la aplicación
exclusiva de calor.
•
•
Ley de los metales intermedios: Si en un circuito de varios conductores la
temperatura es uniforme desde un punto de soldadura 'A' a otro 'B', la suma
algebraica de todas las fuerzas electromotrices es totalmente independiente
de los conductores metálicos intermedios y es la misma que si se pusieran
en contacto directo 'A' y 'B'.
Ley de las temperaturas sucesivas: La f.e.m. generada por una termocupla
con sus uniones a las temperaturas T1 y T3 es la suma algebraica de la
f.e.m. del termopar con sus uniones a T1 y T2 y de la f.e.m. del mismo
termopar con sus uniones a las temperaturas T2 y T3.
Por estas leyes se hace evidente que en el circuito se desarrolla una pequeña
tensión continua proporcional a la temperatura de la unión de medida, siempre que
haya una diferencia de temperaturas con la unión de referencia. Los valores de
esta f.e.m. están tabulados en tablas de conversión con la unión de referencia a
0°C.
Partes constitutivas:
Los elementos de las termocuplas se fabrican a base de metales y aleaciones
metálicas especiales, como platino (Pt), hierro (Fe), cobre (Cu), rodio (Rh), renio
(Re), tungsteno (W), etc.
Los mismos están protegidos mediante una funda o cubierta metálica,
generalmente de acero inoxidable, cuyo espesor determina la velocidad de
respuesta y la robustez de la sonda. El objetivo principal de esta vaina es proteger
los hilos de las condiciones extremas, en ocasiones, del proceso industrial que
tratan de ayudar a controlar; por ejemplo, suele utilizarse acero inoxidable para la
vaina, de manera que en un extremo está la unión y en el otro el terminal eléctrico
de los cables, protegidos adentro de una caja redonda de aluminio (cabezal).
Además, según la distancia a los aparatos encargados de tratar la pequeña señal
eléctrica de estos transductores, también deben utilizarse cables compensados
para transportar esta señal sin que la modifique o la modifique de una manera
fácilmente reconocible y reversible para los dispositivos de tratamiento de la señal.
También se da el caso de que los materiales empleados en la termocupla como el
platino puro, hagan inviable económicamente extender la longitud de los
terminales de medición de la termocupla.
Clasificación (tipos y subtipos):
Tipo
Combinación
de metales
Hierro/
constantan
5,6 mV/
J
Cromel/
Alumel
3,6 mV/
Cobre/
4,5 mV/
Constantan
100 °C
Cromel/
7,9 mV/
Constantan
100 °C
K
Sensibilidad
Rango
temperatura
-40 a + 750 ºC
100 °C
-40 a +1200 ºC
100 °C
T
-50 a + 400 ºC
E
-40 a +900 ºC
Platino-rodio/
R
Gráfico
Hasta 1480°C
Gráfico
Hasta 1400°C
Platino
Platino-rodio/
S
Platino
de
Platino-rodio/
B
Gráfico
Hasta 1700°C
Platino-rodio
En esta clasificación se utiliza básicamente platino y rodio y se destaca la elevada
temperatura de trabajo, que es la gran diferencia con la primera clasificación
Ejemplos de aplicaciones.
Las termocuplas J son versátiles y de bajo costo. Se pueden emplear en
atmósferas oxidantes y reductoras. Se aplican a menudo en hornos de combustión
abiertos a la atmósfera. Las de tipo K se emplean en atmósferas no reductoras y,
en su margen de medida, son mejores que los de tipo E, J y T cuando se trata de
medir en atmósferas oxidantes. Las termocuplas T resisten la corrosión, de modo
que se pueden emplear en atmósferas de alta humedad. Los termopares E son los
de mayor sensibilidad y existen la corrosión por debajo de 0ºC y las atmósferas
oxidantes. Los termopares N resisten la oxidación y ofrecen mejor estabilidad a
altas temperaturas.
Tención y corriente de entrada y salida.
En las termocuplas si en la entrada hay una temperatura baja en la salida habrá
una tención baja, por lo tanto que la temperatura es proporcional a la tención de
salida de la termocupla.
Tensión de salida:
Según el formato de la unión de medida:
•
•
•
Aislada o no aterrizada: en dicha junta los hilos conductores están aislados
de la vaina de protección, configuración ideal para alargar la vida en
ambientes corrosivos, vibraciones y golpes. Recomendados especialmente
para uso en medios donde existen fugas de corriente eléctrica o campos
magnéticos.
Solidaria o aterrizada: los termopares están soldados al extremo de la
vaina. Este tipo de unión permite la medición de temperaturas estáticas o
de gases o líquidos corrosivos en movimiento sometidos a altas presiones.
Puesto que la unión está soldada a la cubierta, la respuesta térmica es más
alta, pero también la susceptibilidad al ruido.
Expuesta: termopares soldados fuera de la vaina. Se emplean
principalmente para realizar mediciones de temperatura en ambientes no
corrosivos y donde se requieren tiempos de respuesta rápidos,
particularmente gases estáticos o fluyentes no sometidos a altas presiones.
Grado de protección.
1º cifra característica
2 cifra característica
Protección del material
contra la penetración de
cuerpos
sólidos
extraños
Protección de
las
personas
contra
el
acceso a las
partes
peligrosas
Protección
del
material contra la
penetración de agua
con efectos nocivos
0- (no protegido)
(no protegido)
0-(no protegido)
1-de diámetro 50mm
Dorso
mano
Dedo
de
Letra
adicional
Protección de
las personas
contra
el
acceso a las
partes
peligrosas
con
A- dorso de la
mano
B-dedo
la 1-gotas de agua
verticales
2- de diámetro12.5mm
2-gotas de agua ( C15 de inclinación)
herramienta
2.5mm
3- de diámetro 2.5mm
Herramientas
3-lluvia
D-hilo 1mm
2.5mm
4- de diámetro 1.0 mm
Hilo 1mm
4-proyeccion
de
agua
5-protegido contra el Hilo 1mm
5- proyección con la
polvo
lanza de agua
6-estanco al polvo
Hilo 1mm
6-proyeccion
potente con lanza
7-inmersion
temporal
8-inmersion
prolongada
Conexionado.
Cables compensados:
Cuando el instrumento está muy retirado del lugar de medición, no siempre es
posible llegar con el mismo cable de la termocupla al instrumento. Esto ocurre
especialmente cuando se están usando termocuplas tipos R, S o B, hechas con
aleación de platino de muy alto precio.
La solución de este problema es usar los llamados "cables compensados" para
hacer la extensión del cable. Estos exhiben el mismo coeficiente de Seebeck del
sensor, pero hechos de otro material de menor precio.
Los cables compensados tienen una polaridad de conexión (+) y (-) que al
conectarse con la termocupla se debe respetar. Un error típico es conectar al
revés el cable en la termocupla y en el instrumento; de esta forma, se genera un
error en la lectura del orden de la temperatura de ambiente en el empalme.
Esquema de conexión de cable compensado y termocupla
Es muy importante que los cables compensados sean para el tipo de termocupla
que se está usando y que estén conectados con la polaridad correcta (+) con (+) y
(-) con (-). De otra forma, será imposible obtener una medición sin error. Es
recomendable consultar al proveedor o fabricante del cable compensado por los
colores que identifican los cables (+) y (-), pues las normas de estos colores varían
con el tipo de termocupla y país de procedencia del cable.
Tipos de conectores para termocuplas
Estos conectores miniatura de pines planos son ideales para conectar termopares
a cables de extensión o compensación. La polaridad de los pines está identificada
mediante su símbolo. Se pueden utilizar para temperaturas máximas de 210ºC,
350ºC o 650ºC dependiendo del modelo. Existen conectores macho, hembra,
panelables y de 3 pines así como de paneles de conectores.
•Rango de temperatura: 210ºC, 350ºC ó650ºC dependiendo del modelo.
•Apto para diámetros de cable hasta 0.6mm.
•Cumplen con la normativa IEC 584.3: 1989en cuanto a código de colores: verde
(tipo K), marrón (tipo T), negro (tipo J), rosa (tipo N) y naranja (tipo RCA/SCA)
•Dimensiones:
Macho: 19x16x8mm (largo x ancho x alto) con pines de 12mm de longitud.
Hembra: 26x16x8mm (largo x ancho x alto). Hembra panelable de mismas
dimensiones que el conector hembra pero con frontal biselado y una pestaña para
conexión con el panel.