Sensores de temperatura basados en la dilatación

SENSORES 

Un sensor convierte una señal física de un tipo en una señal física de otra naturaleza. Por ejemplo una termocupla produce un voltaje que está relacionado con la temperatura, así mismo en una resistencia metálica se aprovecha el fenómeno de variación de la resistencia con la temperatura para producir una señal de voltaje que sea proporcional a la temperatura.  

La diferencia entre los dos ejemplos está que para el caso de la termocupla se produce un milivoltaje producto de la uníón de dos materiales a una determinada temperatura, en el segundo ejemplo la pura resistencia por sí sola no puede hacer la conversión a voltaje sino que requiere de un circuito y de una fuente de alimentación. En el primer caso tenemos al elemento sensor sólo, en el segundo al elemento sensor más un circuito, en este segundo caso la uníón de los dos constituye el transductor. Tanto en el caso de la termocupla como de la resistencia metálica se necesitan etapas  adicionales  de acondicionamiento como amplificación y filtraje de la señal.

7.1 Carácterísticas de los sensores

Cuando se diseñan sistemas de adquisición de datos con computadora, hay aspectos a cerca de los sensores que es necesario tener en cuenta: 

- La naturaleza de la señal que el sensor – transductor genera: voltaje, rango de amplitud, respuesta en frecuencia, precisión necesaria, determinan  el tipo de acondicionamiento de señal, convertidor A/D y cualquier otro hardware a utilizar.  - La influencia de las señales de ruido así como los efectos de carga del hardware de adquisición de datos sobre el sensor.

- La calibración del sensor con respecto a la variable física. Si la respuesta del sensor a los cambios  de la variable física es lineal o no. Una calibración mal hecha va a producir mediciones erróneas.

 - La interdependencia entre los distintos componentes del sistema de adquisición de datos, por ejemplo un sensor muy bueno, con un pobre convertidor A/D no sirve de casi nada.

- La precisión del sensor, esto es la capacidad de medir el mismo valor repetidas veces en idénticas condiciones.

- El tiempo de respuesta del sensor, es decir, el tiempo requerido para responder a un cambio brusco de la variable que está siendo sensada.

- El coeficiente de temperatura del sensor, el cual viene dado por el cambio que se produce en la respuesta del sensor debido al cambio en la temperatura a la cual se encuentra, por ejemplo el aumento en las corrientes de fuga y el voltaje offset de un amplificador, el aumento de la corriente en la oscuridad de un fotodiodo.

- La histérisis de un sensor, la cual se define como la dependencia de la salida del sensor de la respuesta anterior. Esta es muy común en sistemas magnéticos y mecánicos. 

Existen varias formas de clasificar los sensores, por ejemplo se pueden clasificar por el principio físico de funcionamiento (inductivo, capacitivo, termoeléctrico o resistivo etc.), por la variable física medida (temperatura, presión, posición etc. Por la capacidad de generar energía (activos) o de necesitar de un circuito de excitación (pasivos). En este trabajo se estudian los sensores de acuerdo al tipo de variable física medida. 

7.2  Sensores de temperatura

Entre los sensores más comunes empleados para medir temperatura  con instrumentación electrónica se tienen: RTDs, termistores, sensores de circuito integrado (IC ) y termocuplas.

• Detector de resistencia metálica (RTD) 

El detector de resistencia metálica  RTD, es uno de los sensores más precisos de temperatura. Se caracteriza por su excelente estabilidad, usualmente es utilizado para medir temperaturas de 0 °C a 450 °C. 

La resistencia metálica es de alambres finos o de películas de metales. Su resistencia varía en forma directamente proporcional con la temperatura. Ellas son fabricadas de metales como cobre, plata, oro, tungsteno y níquel, no obstante el platino  es el material más comúnmente usado. El platino presenta una excelente estabilidad y la más alta resistividad con respecto a los otros metales.  

Entre las desventajas de las RTDs  de platino (Pt100) se pueden mencionar: 1- su alto costo, por lo que hacer instrumentación con ellas es caro; 2- debido a su baja resistencia  (100 Ω a 0 °C)  y sensibilidad (0.4 Ω/°C),  los alambres de conexión es uno de los principales problemas, la vía para minimizarlo es usar el esquema de medición con 4 alambres; 3-  en el sistema de medición con 4 alambres, dos alambres llevan  y traen la corriente proveniente de una fuente de corriente constante y otros dos alambres se emplean para la conexión del instrumento de medición de voltaje, convertidor A/D en un sistema de adquisición de datos por computadora;  4- la   corriente de excitación constante produce una disipación de potencia en la RTD, lo cual le genera calentamiento que incrementa adicionalmente su temperatura que no es posible de detectar cuando se hace la medición de temperatura, una forma de reducir este error usar una corriente de excitación lo más pequeña posible.   

• Termistor 

Un termistor es un semiconductor hecho de dos óxidos metálicos unidos dentro de una pequeña bola, disco u otra forma y recubierto con epóxido o vidrio.

Hay dos clases de termistores  los que presentan un coeficiente negativo de temperatura (CNT), cuya resistencia disminuye con la temperatura y coeficiente positivo con la temperatura ( CPT) cuya resistencia aumenta  con la temperatura.  Los termistores CNT son los más usados para medición de temperatura. Valores comunes de termistores son 2252 Ω, 5000 Ω y 10000 Ω. Un termistor de 5000 Ω tiene aproximadamente una sensibilidad de 200 Ω/°C a la temperatura ambiente, comparada con 0.4 Ω/°C de la Pt100, la sensibilidad del termistor es bastante más alta.  

Los termistores se pueden emplear para medir temperaturas hasta de 300 °C. Debido a que los termistores tienen una resistencia alta, la resistencia de los conductores que llevan la corriente no afecta la exactitud de las mediciones. Mediciones con dos alambres es adecuado en circuitos con termistores.  

Ya que la resistencia es bastante alta, la corriente de excitación debe ser pequeña para evitar el  auto calentamiento  que afecte la exactitud de la medición.

• Sensor de circuito integrado IC 

Los sensores de circuito integrado se fundamentan en la carácterística de la uníón p-n de los semiconductores. Están formados por circuitos integrados sobre un chip, el cual presenta una salida lineal y proporcional a la temperatura. Se consiguen sensores IC que presentan salidas en voltaje analógico y en forma digital. Por estar hechos a base de silicio, su rango de temperatura  está limitado aproximadamente a los 150 °C. 

Una de las principales ventajas de los sensores IC es su fácil interface. Entre las desventajas se tienen: el limitado rango de temperatura, la necesidad de alimentación y el auto calentamiento.  

• Termocuplas 

El funcionamiento de una termocupla se basa en el principio físico de la uníón de dos alambres de metales diferentes que produce una diferencia de potencial en los dos extremos que no se encuentran en contacto que es función de la temperatura a la cual se encuentra la uníón. Este principio se llama efecto Seebeck, en memoria a Thomas Seebeck quien lo descubríó en 1821. El voltaje producido en la uníón es no lineal con respecto a la temperatura, bastante pequeño (del orden de los milivoltios). 

Varios tipos de termocuplas existen. Ellas se identifican mediante letras mayúsculas que indican su composición de acuerdo a las convenciones establecidas por el   American National Standards Institute (Ansí). Por ejemplo una termocupla tipo J está hecha de la uníón de cobre-constantan. 

Una diferencia fundamental entre los sensores de temperatura mencionados anteriormente y la termocupla es la necesidad que se tiene de una referencia para hacer mediciones absolutas con ella.  

Veamos el siguiente ejemplo: en la figura 7.1 se muestra una termocupla de hierro - constantan que se encuentra conectada al instrumento de medición (tarjeta de adquisición de datos TAD)  a través de alambres de cobre. En este circuito existen tres uniones diferentes: J1, J2 y J3. La uníón J1 genera un voltaje proporcional a la temperatura que se está midiendo. Las uniones J2 y J3  tienen sus propios voltajes Seebeck.

El amplificador de instrumentación de la TAD va a medir el voltaje generado por todas estas uniones. Para determinar la temperatura de la uníón J1, se necesita conocer los voltajes de las uniones J2 y J3 para restárcelos al total y poder conocer el voltaje de la uníón J1. Esto es lo que se conoce como compensación de la uníón fría.           

Tradicionalmente la referencia ha sido 0°C, lo cual se logra manteniendo la uníón de referencia bajo  hielo a 0°C. Bajo estas condiciones, si la temperatura se encuentra sobre 0°C, un milivoltaje positivo aparece a la salida del circuito  abierto de la  termocupla;   si es menor a 0°C el milivoltaje de salida es negativo, y cuando la referencia y la uníón en la cual se mide la temperatura están a 0°C la salida de la termocupla es  de 0 milivoltios.   Aunque este método es bastante exacto, no es él más práctico. Una manera más práctica consiste en medir la temperatura de la uníón de referencia, directamente con un sensor de temperatura, tal como un termistor o un sensor de circuito integrado IC. Este proceso de compensación de la uníón fría puede simplificarse aprovechando algunas de las carácterísticas de las termocuplas. 

7.3 Instrumentación en sensores de temperatura

•  Detectores de resistencia metálica (RTD) 

Típicamente una fuente de corriente constante de alta precisión se usa como fuente de excitación de una RTD. Debido a que la resistencia de la RDT es pequeña, la conexión de 4 alambres es la más recomendada, para evitar el error introducido por la caída de voltaje en la resistencia de los conductores que transportan la corriente. En la figura 7.3 se muestra esta conexión.

Sensor de circuito integrado IC 

Todo sensor de circuito integrado IC necesita de fuente de alimentación. Un sensor de IC, como el LM35, tiene sensibilidad de 10 mV/°C. Se debe ser usar un amplificador con ganancia alta para conseguir la mejor resolución. Los sensores de IC son susceptibles de auto calentamiento. Especial cuidado debe ser tomado durante el montaje del sensor sobre el objeto a sensar, de manera que pueda disipar el calor y evitar que el IC pueda calentarse más que el objeto.

• Termistor 

Para alimentar un termistor, lo más común es usar una fuente de corriente constante. De manera alterna una fuente de voltaje y un circuito serie formado por el termistor y una resistencia de precisión para producir un divisor de voltaje. En la figura 7.4 se muestran los dos esquemas. 

7.4 Sensores para medición de presión y fuerza

Tensión es la cantidad de deformación de un cuerpo a causa de una fuerza aplicada a él. Más específicamente, la tensión (&épsilon;) es definida como el cambio fraccional en la longitud del cuerpo.  

Es importante tener presente que la tensión ocurre en la dirección paralela como perpendicular a la fuerza aplicada. La tensión principal, es aquélla producida en la dirección de la fuerza, y viene dada por &épsilon; = ∆L/L, y la tensión transversal, es la producida en la dirección perpendicular a la fuerza aplicada y viene dada por &épsilon;T = ∆W/W.  En la figura 7.5 se ilustran estas relaciones.