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SENSORES RESISTIVOS Ing. José L. Mendoza Rodríguez

Sensores Resistivos

SENSORES RESISTIVOS (Potenciómetros y Galgas)

SENSORES RESISTIVOS Sensores cuyo principio físico de funcionamiento es la variación de la resistencia eléctrica de un componente eléctrico o electrónico. Según la variable física que hace variar la resistencia se clasifican en [PALL 03 pag. 54] [PERE O4 pag. 191]: ¤ Potenciómetros (Potentiometers) ¤ Galgas extensométricas (Strain gages)

¤ Sensores de temperatura de resistencia metálica o RTD (Resistance Temperature Detectors) ¤ Termistores [Thermistors (Thermal Resistors)] ¤ Magnetorresistencias (Magnetoresistors) ¤ Fotorresistencias o LDR (Light Dependent Resistors) ¤ Higrómetros (Hygrometers) ¤ Sensores y detectores de gases ¤ Sensores de conductividad de líquidos

Sensores Resistivos

POTENCIÓMETROS (POTENTIOMETERS) Componente eléctrico cuya resistencia es función del desplazamiento de un elemento móvil. Consiste en una resistencia fija con un contacto móvil deslizante lineal o giratorio (cursor) que lo divide eléctricamente. Los potenciómetros pueden ser lineales (Variación constante por unidad de longitud) o logarítmicos, antilogarítmicos, senoidales (Poco utilizados actualmente). La magnitud de entrada (x) es la posición del cursor con respecto uno de los terminales (2). El valor de la resistencia entre el cursor (3) y dicho terminal (2) es la variable de salida. 

R1 

(1)

1-x R

R2 = R(1-x)

L (3)cursor x

(2)

R1 = Rx

L xR x A

en la cual: ρ: resistividad del material A: sección transversal del resistor L: longitud del resistor x: fracción recorrida de la longitud de la resistencia entre los terminales (1) y (2)

Sensores Resistivos

POTENCIÓMETROS [PALL 03 pag. 54] [PERE O4 pag. 191] Desde el punto de vista dinámico, es un sistema lineal de orden cero, pero puede formar parte de un sensor lineal de orden superior (sistema masaresorte).

CONDICIONES DE VALIDEZ DEL MODELO ESTÁTICO - La resistencia es uniforme a lo largo de todo el recorrido.

En general la resistencia no es perfectamente uniforme y tampoco lo es la linealidad. -El contacto del cursor proporciona una variación continua de la resistencia (resolución infinita) y no a saltos. Esto no es cierto para todos los tipos de potenciómetros. -La inductancia y la capacidad son despreciables. La inductancia no es a veces despreciable, en particular si se trata de potenciómetros de resistencia bobinada. La capacidad parásita puede ser apreciable cuando el valor de R es elevado.

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POTENCIÓMETROS CONDICIONES DE VALIDEZ DEL MODELO ESTÁTICO - La temperatura del potenciómetro permanece constante.

Esto no se cumple siempre porque el valor de las resistencias depende de la temperatura. La variación de la temperatura puede ser debida a las fluctuaciones de la temperatura ambiente o al autocalentamiento producido por la potencia disipada en el propio potenciómetro: (V2 / R) -Si el circuito que carga al potenciómetro no tiene una impedancia de entrada suficientemente alta puede haber calentamiento excesivo en determinadas zonas del mismo.

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POTENCIÓMETROS Tipos de potenciómetros La resistencia puede ser una pista recta o circular y el cursor es una pieza móvil que se desliza sobre ella. Los potenciómetros circulares pueden ser de una vuelta o multivuelta [PERE O4]. Elemento resistivo

Carcasa

Cursor

Elemento resistivo Carcasa

Zona muerta

Junta estanca y cojinete

Cursor Junta estanca y cojinete

Eje de giro

Eje

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POTENCIÓMETROS Tipos de potenciómetros ▪ De hilo bobinado (Wirewound) El elemento resistivo es un hilo (aleaciones NiCr, Ni-Cu, metales nobles) arrollado sobre un soporte aislante (cerámico). Poseen una alta inductancia y una baja resolución (1 / número de espiras). Tienen un coeficiente de temperatura pequeño. Actualmente solo se usan como reostatos.

▪ No bobinado (Nonwirewound) El elemento resistivo es una pista de Cermet (aleación de cerámica y metal), carbón, plástico conductivo, metal o una combinación de ellos. Tienen elevada resolución y reducida inductancia y capacidad parásita.

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POTENCIÓMETROS Mecanismos de accionamiento de los sensores potenciométricos a) Correa y polea (Belt and pulley) b) Cremallera y piñón (Rack and pinion) c) Tornillo de avance (Leadscrews) d) Tambor con cable (Cabled drum) e) Leva (Cam)

f) Engranaje biselado (Bevel gear) g) Engranaje recto (Spur gear)

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POTENCIÓMETROS Aplicaciones ▪ Medida de desplazamientos lineales o angulares.

▪ Medida de magnitudes físicas que se pueden convertir en un desplazamiento: fuerza, presión, nivel, inclinación, etc. Ejemplo: Sensor de posición (Joystick). Medida de un desplazamiento

Impulsos de disparo

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POTENCIÓMETROS Aplicaciones -Medida de desplazamientos lineales o angulares Ejemplo: Sensor de fuerza. Conversión de una fuerza en un desplazamiento

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POTENCIÓMETROS Aplicaciones -Medida de magnitudes físicas que se pueden convertir en un desplazamiento: fuerza, presión, nivel, inclinación, etc. Ejemplo: Boya (Sensor de nivel). Conversión de un nivel en un desplazamiento VS

Flotador

Flotador

h

h

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POTENCIÓMETROS 1.- Cita tres ventajas y tres inconvenientes de los sensores potenciométricos. - Ventajas: - Inconvenientes:

Ventajas:

Inconvenientes:

- Económicos

- Sensibilidad al ruido eléctrico

- Robustos y fiables

- Rápido envejecimiento

- Buena sensibilidad

- Poca protección (polvo, agua)

- Fácil aplicación

- Voluminosos - Difícil integración

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PIEZORRESISTIVIDAD Piezorresistividad Propiedad de algunos materiales conductores y semiconductores, cuya resistencia cambia cuando se los somete a un esfuerzo mecánico (tracción o compresión) que los deforma. Dicho cambio es debido a la variación de la distancia interatómica (en el caso de los metales) y a la variación de la concentración de portadores (en el caso de los semiconductores). La resistencia de los materiales piezorresistivos depende de la temperatura (especialmente en el caso de los semiconductores).

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GALGAS EXTENSOMÉTRICAS (STRAIN GAGES) [PALL 03 pag. 60] [PERE O4 pag. 227]: Definición Elementos sensores basados en la piezorresistividad. Tipo de material utilizado ▪ Aleaciones metálicas como por ejemplo el constantan (Cu-Ni) y el nicróm (Cr-Ni).

▪ Semiconductores (Si, Ge). En la actualidad se utilizan principalmente las galgas metálicas porque la deposición de un metal sobre un soporte flexible es muy sencilla y tienen menor coste (entre 10 y 20 veces más baratas). Además, las semiconductoras tienen mayor sensibilidad térmica.

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GALGAS EXTENSOMÉTRICAS (STRAIN

Constantán:Cu(55%)-Ni(45%)

Hilo

Nicrom: Ni(80%)-Cr(20%)

Metálicas

Karma, Advance, Manganina

Película

Clasificación de las galgas

GAGES)

Si

Material P

Ge

Material N

Semiconductores

Metálicas Biaxiales

Elastómeros

Semiconductores

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GALGAS EXTENSOMÉTRICAS (STRAIN GAGES) CONSIDERACIONES IMPORTANTES No existen cuerpos perfectamente rígidos o indeformables.

Todos los cuerpos sufren deformaciones bajo la acción de una fuerza. Los materiales que recuperan sus dimensiones originales cuando cesan los esfuerzos se denominan elásticos. Los que conservan la deformación se denominan plásticos. Si el esfuerzo supera cierto límite el material se rompe.

F

F

m m F F

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GALGAS EXTENSOMÉTRICAS (STRAIN GAGES) Un cuerpo está en equilibrio cuando la resultante de todas las fuerzas y todos los momentos que actúan sobre él es cero.

F=m g F=m g F=m g F= -m g

m F= -m g

m

F=-m g

La tensión mecánica o esfuerzo es la fuerza distribuida a través de la sección recta transversal

A

= F/ A F

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GALGAS EXTENSOMÉTRICAS (STRAIN GAGES) El límite de rotura es el máximo esfuerzo que se puede aplicar sin que se rompa un cuerpo

Tracción

F

m

F

F

m

F

Lineales Compresión

Esfuerzos

Cortantes

F

m

F

F Flexores

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GALGAS EXTENSOMÉTRICAS (STRAIN

GAGES)

Curva de deformación de un material m f p

r

e

(e) Zona elástica: Hay proporcionalidad entre deformación y esfuerzo. (p) Límite de proporcionalidad: zona en la que no hay proporcionalidad. (f) Límite de fluencia: zona partir de la cual el material se estira con poco esfuerzo y no se recupera. (m) Resistencia máxima: zona a partir de la cual el material se rompe en (r).

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GALGAS EXTENSOMÉTRICAS (STRAIN

GAGES)

GALGAS METÁLICAS La resistencia eléctrica R de un hilo metálico de longitud L, sección A y resistividad ρ es:

l R   A

A l

Si se somete a un esfuerzo en dirección longitudinal, cada una de las tres magnitudes experimenta un cambio y por lo tanto R también se se modifica: R + ∆ R . Se denomina deformación unitaria:

R +∆R F l

∆l

ε=

∆l

Se denomina microdeformación:

l

1 µ ε = 10-6 ε

La variación unitaria de resistencia: ∆ R/ R

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GALGAS EXTENSOMÉTRICAS (STRAIN

GAGES)

GALGAS METÁLICAS Si no se entra en la región plástica, el cambio de longitud que resulta de aplicar una fuerza F a una pieza unidimensional (como por ejemplo una barra delgada o un hilo), viene dado por la ley de Hooke. F l ∆l = A E

(Ec. 2)

que equivale a:

ε

F ∆l = = l AE

(Ec. 3)

en la que E es una constante del material llamada módulo elástico de Young Se denomina tensión mecánica o esfuerzo (σ) a la fuerza transversal aplicada dividido por la sección de la barra o hilo:

σ

=

F A

(Ec. 4)

y según esta ecuación la ley de Hooke queda:

σ = εE

(Ec. 5)

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GALGAS EXTENSOMÉTRICAS (STRAIN

GAGES)

GALGAS METÁLICAS Se define la constante o factor de galga K como el cociente entre la variación unitaria de resistencia y la deformación. Es una constante característica de cada galga que determina su sensibilidad. Es función de muchos parámetros, pero especialmente de la aleación empleada en la fabricación.

K=

∆R/R ∆l/l

=

∆R/R

ε

En las galgas de hilo suele tener un valor próximo a 2. Las galgas de semiconductor posee un factor de galga más elevado que el de las metálicas (>10). Unos valores típicos son:

Material tipo P => K = 119,5 ε + 4 ε2 Material tipo N => K = -110 ε + 10 ε2

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GALGAS EXTENSOMÉTRICAS (STRAIN

GAGES)

GALGAS METÁLICAS Características constructivas La sensibilidad de la galga crece al hacerlo su resistencia y decrece al aumentar su sección. Por tanto se debe incrementar el valor de la resistencia sin incrementar la sección, es decir, hay que elevar el valor de la longitud. Las secciones longitudinales son más delgadas

Las secciones transversales son más gruesas

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GALGAS EXTENSOMÉTRICAS (STRAIN

GAGES)

GALGAS METÁLICAS Materiales utilizados en galgas metálicas

Materiales utilizados en el soporte de galgas metálicas

Material

Características

Aplicaciones

Material

Constantán

• Medidas estáticas • No usar en aplicaciones extremas • Selección compleja (pocos criterios) • Material más usado y muy barato • Autocompensación térmica sencilla

• Grandes elongaciones (estado plástico de deformación)

Poliamida

• Es el soporte estándar • No soporta condiciones extremas de trabajo • Espesor habitual de 0.025mm

• Medidas estáticas • Aplicaciones habituales

Epoxy

• Minimiza el error introducido por el soporte • Instalación delicada • Requiere mano de obra especializada

• Medidas precisas

Fibra de vidrio reforzada con epoxy

• Soporta temperaturas moderadas • Soporta muy bien el trabajo a fatiga

• Medidas cíclicas y de fatiga

Isoelastic

• Gran relación S/N • Precisan control de temperatura

• Medidas dinámicas • Medida de fatiga

Karma

• Autocompensación térmica sencilla • La soldadura de terminales es compleja

• Medida a temperaturas bajas • Medida con temperaturas variables o no controladas

• Coste alto

• Medida a altas temperaturas

Aleación Pt

Características

Aplicaciones

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GALGAS EXTENSOMÉTRICAS Tal como se indica anteriormente, el esfuerzo aplicado no debe llevar a la galga fuera del margen elástico. Por ello no debe exceder del 1 % de la longitud de la galga que corresponde aproximadamente a 3000 µe para las galgas semiconductoras y a 40.000 µe para las metálicas. - El esfuerzo debe ser transmitido totalmente a la galga.

- La galga debe estar pegada mediante un adhesivo elástico estable con el tiempo y la temperatura. - La galga debe estar protegida del ambiente y aislada eléctricamente del objeto al que se aplica el esfuerzo. Soldadura Galga Cable de Adhesivo conexión Protección Substrato

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GALGAS EXTENSOMÉTRICAS Geometría de las galgas Uniaxiales: Miden deformaciones a lo largo de la galga. Son casi insensibles a las deformaciones transversales. Rosetas de dos elementos: Miden simultáneamente esfuerzos en dos direcciones. Rosetas de tres elementos: Se utilizan para determinar la dirección y magnitud de las tensiones que resultan de cargas complejas.

Tangenciales: Diafragma. Se utiliza en membranas, cuando no hay direcciones principales de esfuerzo.

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GALGAS EXTENSOMÉTRICAS Comercialmente, las galgas se venden integradas en sensores completos denominados células o celdas de carga. En la célula de carga (Load cells), la galga está adherida a un elemento metálico y suele tener incorporado un circuito electrónico acondicionador basado en un amplificador de instrumentación.

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GALGAS EXTENSOMÉTRICAS Aplicaciones Medida de variables que se convierten en una fuerza capaz de provocar deformaciones: fuerza, par, presión, etc. Dos de las aplicaciones más importantes son las medidas de peso y de presión.

Celdas de carga para la medida de peso

Sensor de presión de Siemens basado en una galga extensiométrica

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GALGAS EXTENSOMÉTRICAS VENTAJAS •Pequeño tamaño.

• Pueden alimentarse con CC o CA. • Excelente respuesta en frecuencia. • Pueden utilizarse en medidas estáticas y dinámicas. • Se compensan fácilmente en temparatura.. • No son influidas por campos magnéticos.

DESVENTAJAS • Proporcionan una señal desalida de reducida amplitud.

• Su desplazamiento es reducido. • Son sensibles a las vibraciones.

•Su estabilidad a lo largo del tiempo depende del envejecimiento de los adhesivos. • Su fabricación es difícil cuando se quieren medir esfuerzos pequeños.

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GALGAS EXTENSOMÉTRICAS Limitaciones • El esfuerzo aplicado no debe llevar a la galga fuera del margen elástico.

• Se necesita una buena adhesión de la galga al soporte, para que la medida de la deformación sea correcta. • El incremento de la temperatura produce una variación de la resistencia

aunque no se aplique ningún esfuerzo. • El coeficiente de dilatación de la galga debe ser del mismo orden de magnitud que el del soporte para evitar tensiones mecánicas. • Hay que evitar el autocalentamiento de la galga debido a la potencia disipada en ella.

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SENSORES RESISTIVOS (RTD y Termistores)

Sensores Resistivos

TERMORRESISTIVIDAD La termorresistividad es la propiedad de algunos conductores semiconductores cuya resistencia es función de la temperatura.

y

Conductores El número de electrones libres no cambia apreciablemente con la temperatura, pero si ésta aumenta, las vibraciones de los átomos alrededor de sus posiciones de equilibrio son mayores, lo que hace que se reduzca la velocidad media de los electrones. Debido a ello los conductores tienen un coeficiente de temperatura positivo, es decir, su resistencia aumenta con la temperatura.

Semiconductores El comportamiento de los semiconductores extrínsecos en relación con la temperatura depende de la concentración de impurezas. Esto hace que algunos semiconductores tengan un coeficiente de temperatura positivo y otros negativo.

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Resistencias metálicas RTD (Resistance Temperature Detector)

SENSORES RESISTIVOS DE TEMPERATURA

Resistencias de semiconductores Termistores (Thermistors)

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SENSORES DE TEMPERATURA DE RESISTENCIA METÁLICA (RTD) Los RTD son elementos sensores basados en la termorresistividad de los conductores. Los materiales más utilizados son el Pt, el Cu, el Ni y el W.

RT  R0  (1  α  ∆T  β  ∆T2  γ  ∆T3  ....) +tº En un rango pequeño de temperaturas

R T  R 0  (1  α ∆T) R0: Resistencia a T0=273 K α : Coeficiente de temperatura α*R0: Sensibilidad ∆T = T - T0 (Kelvin o Celsius)

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SENSORES DE TEMPERATURA DE RESISTENCIA METÁLICA (RTD) Tipos de RTD  depende de la temperatura pero en un margen pequeño se puede considerar constante Metales

Platino, Pt

Resistividad (ρ), Ω-m

Coeficiente T (α), (K)-1

10,6·10-8

3,9·10-3

R /R T 0 4 Pt100

3,5

Níquel, Ni

6,84·10-8

Cu100

3

7·10-3

Ni120

2,5

Wolframio, W

5,6·10-8

Cobre, Cu

1,68·10-8

2

4,5·10-3

1,5 1

4,3·10-3

0,5

-100

T, ºC 0 300

100

200

Curvas de calibración normalizadas Ro: Resistencia a 0º C

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SENSORES DE TEMPERATURA DE RESISTENCIA METÁLICA (RTD) Las más utilizadas son las resistencias de Platino puro debido a su fácil fabricación, linealidad, precisión, estabilidad y repetibilidad. Se llaman PT-100, porque su valor es 100 ohmios a 0ºC. Valores normalizados:

100

ohm para 0ºC

138,5 ohm para 100ºC con α = 3,85·10-3 El margen de uso industrial es de -100ºC a 600ºC. R (ohm) Pt 138,5

100

0º

100º

T ºC

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SENSORES DE TEMPERATURA DE RESISTENCIA METÁLICA (RTD) Tipos de RTD Bobinadas El hilo conductor se bobina sobre un aislante eléctrico. La bobina se empaqueta con mica y se coloca en un tubo de protección. En los de bobina suspendida, el hilo se bobina helicoidalmente dentro de tubos de cerámica rellenos polvos cerámicos y sellados con vidrio. Las RTD bobinadas se utilizan inmersas en fluidos (líquidos y gases). De película metálica

El hilo se dispone en un plano y se recubre con vidrio fundido. Este tipo de RTD se utiliza en la medida de la temperatura de superficies y es más económico que el bobinado.

TUBO DE ACERO INOXIDABLE TERMINALES DE ALEACIÓN DE Pt

AISLAMIENTO DE MICA

AISLAMIENTO DE MICA TERMINALES DE ALEACIÓN DEPt

POLVO CERÁMICO VIDRIO (SOPORTE DE TERMINALES)

SELLO DE VIDRIO

SELLO DE CEMENTOALAMBRE DE AISLADOR CERÁMICO CERÁMICO Pt

SELLO DE VIDRIO

PELÍCULA DE Pt DEPOSITADA TERMINALES

BOBINA DEPt

SUSTRATO CERÁMICO CAPA PROTECTORA DE VIDRIO

AISLADOR CERÁMICO DE ALTA PUREZA

BOBINADA

BOBINA SUSPENDIDA

LLO DE

PELÍCULA METÁLICA

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SENSORES DE TEMPERATURA DE RESISTENCIA METÁLICA (RTD) Aplicaciones Las RTD son sensores de temperatura muy utilizados hoy en día en los controladores de temperatura de los equipos de frío y calor, en el automovil (p.ej. control del aire acondicionado), en los hornos, en los edificios (p.ej. Para controlar la temperatura de un depósito de agua caliente), etc. La sonda de platino proporciona una medida estable y exacta, y se utiliza como patrón entre las temperaturas de -182,96 ºC y 630 ºC. Para reducir el coste del sensor, se utiliza el níquel. Para la medida de temperaturas muy altas, se emplea el wolframio. RTD más utilizada: Pt100: Platino con R = 100 a 0ºC

Existen también otros tipos de RTD: Pt-1000 resistencia de platino de 1000 ohmios a 0ºC Ni-120 resistencias de Niquel de 120 ohmios a 0ºC. Etc.

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SENSORES DE TEMPERATURA DE RESISTENCIA METÁLICA (RTD) Consideraciones importantes ▪ No se pueden medir temperaturas próximas ni superiores a la de fusión del conductor. ▪ Se debe evitar las deformaciones mecánicas que provoquen cambios del valor de la resistencia. ▪ El cambio de las dimensiones del material con la temperatura provoca cambios no lineales de la resistencia. Esta no linealidad varía mucho de unos materiales a otros, lo que hace que no todos los metales sean adecuados para la realización de RTD.

▪ La corriente eléctrica que pasa a través de la RTD produce una disipación de energía que puede aumentar su temperatura por encima de la del medio en que se encuentra (autocalentamiento), lo que introduce un error en la medida. ▪ El comportamiento de una RTD ante variaciones en el tiempo de su temperatura es el de un sistema lineal de primer orden si no está recubierta. Si la RTD está recubierta se comporta como un sistema lineal de segundo orden sobreamortiguado, debido a la capacidad calorífica del recubrimiento.

VENTAJAS: ▪ Estabilidad (10 veces mayor que los termopares), precisión ▪ Gran variedad de encapsulados

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SENSORES DE TEMPERATURA DE RESISTENCIA METÁLICA (RTD) SONDAS TERMOMETRICAS PT-100 2m

L

Sonda Pt-100, clase A, 100 ohm a 0ºC según normas DIN 43.760 Montaje: 2 o 3 hilos Tipo de vaina: Inox. 304 L Cable: 3 cond. sección 0,22 mm2, aislam. PVC con malla, longitud 2 m. Temperatura de trabajo: 450ºC máximo. Temperatura del cable: 80ºC máximo. Blanco

mm 1,6 1,6 1,6 3,2 3,2

L mm 50 100 150 100 250

Nº identificación 330 111-503 330 111-506 330 111-507 330 112-506 330 112-509

Rojo Azul

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TERMISTORES Son elementos sensores basados en la termorresistividad de los semiconductores. Pueden ser de dos tipos: a) De coeficiente de temperatura negativo [NTC (Negative Temperature Coeficient)] Están constituidos por un semiconductor extrínseco o poco impurificado (dopado), en el que los portadores libres aumentan al elevar la temperatura. b) De coeficiente de temperatura positivo [PTC (Positive Temperature Coeficient)] Están constituidos por un semiconductor muy impurificado con oxidos metálicos que adquiere propiedades metálicas al aumentar la temperatura en un margen limitado. Ambos se caracterizan por su no linealidad.

-tº C (a)

+tº C (b)

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TERMISTORES NTC Modelo de dos parámetros (Ro, B) En un margen de temperaturas reducido (50 ºC) la dependencia de la resistencia con la temperatura se puede considerar de tipo exponencial de la forma:

Rt = Ro e B(1/T - 1/To) en la cual Ro = resistencia a la temperatura de referencia (normalmente 25ºC). To = temperatura de referencia en grados kelvin (To = 273+25 = 298ºK). B = temperatura característica del material (aprox. 4000ºK). Cálculo de B Se mide la resistencia a dos temperaturas T1 y T2 diferentes. Se aplica el modelo de dos parámetros:

B T1,T2

ln R 1 R2  1  1 T1 T2

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TERMISTORES NTC Coeficiente de temperatura o sensibilidad:

dRT /dT α= RT

A 25ºC y con B = 4000 K, resulta α = 4,5%/ºK (10 veces superior a la Pt-100)

α=−B/T2 Ejemplo: Una formula alternativa es RT = A e

B/T.

Determine A si B = 4100 K y el valor de R es 150 kΩ a 25ºC. Calcule el valor de “α” a 0º y 50ºC, y el error de linealidad del termistor en ese tramo. Se deduce A = Ro e –(B lTo) =1,5 105 e-(4100/298) = 0,1588 ohm A 0ºC = 273 K α(0) = - B / T2 = 4100/2732 = - 5,5%/K A 50ºC = 323 K, α(100) = 4100/3232 = - 3,0%/K

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TERMISTORES NTC El error de linealidad (desviación máxima entre la recta que une los extremos y la curva real) se suele dar a la mitad del intervalo (25ºC). R(0ºC) = A e-(4100/273) = 528.715 ohm R(50ºC) = A e-(4100/323) = 51.709 ohm

R error =

(528.715+51.709)/2 – 150.000 (528.715-51.709)

e

0

25

50

T(ºC)

= 18,55 %

Sensores Resistivos

TERMISTORES NTC Relación Resitencia-Temperatura (NTC)

Sensores Resistivos

TERMISTORES NTC Relación Tensión-Intensidad (NTC)

V

Zona de autocalentamiento

Zona A

I Rt = Ro e B(1/Ta - 1/To) Zona A: Para corrientes bajas, el efecto de autocalentamiento es despreciable y la temperatura del termistor es la del ambiente. Además su resistencia es constante y la tensión en su bornes es proporcional a la corriente.

Sensores Resistivos

TERMISTORES NTC Relación Tensión-Intensidad (NTC)

V

Zona de autocalentamiento

Zona A

Zona B

I Rt = Ro e B(1/Ta - 1/To)

Rt = Ro e B(1/T - 1/To)

Zona B: La corriente produce autocalentamiento y el termistor alcanza una temperatura superior a la del ambiente, lo que reduce su resistencia. En esta zona el termistor es sensible a cualquier efecto que altere el ritmo de disipación de calor lo que permite aplicarlo a las medidas de caudal, nivel, conductividad calorífica, .... Si la velocidad de extracción del calor es constante, el termistor es sensible a la potencia eléctrica aplicada, y se puede utilizar para controlar el nivel de tensión o de potencia.

Sensores Resistivos

TERMISTORES NTC Relación Tensión-Intensidad (NTC)

V

Zona de autocalentamiento

Zona A A B Rt = Ro e B(1/Ta - 1/To)

Zona B C D Rt = Ro e B(1/T - 1/To)

Zona C E F Rt = Ro e B/To

I

Zona C: Para intensidades elevadas, la potencia disipada supera la zona en la que la NTC tiene un coeficiente de temperatura negativo (agotamiento de portadores). A partir de este punto su comportamiento es como el de un conductor con coeficiente positivo hasta alcanzar el valor máximo admisible de potencia disipada que destruye el termistor.

Sensores Resistivos

TERMISTORES NTC Linealización analógica

R

A veces es necesario linealizar la curva del termistor. Para ello se suele utilizar una resistencia en paralelo. Aunque la resistencia resultante no es totalmente lineal, su variación con la temperatura es menor.

Elevar la linealidad implica reducir la sensibilidad.

RT

R

RT R Rp =

RT + R R// RT T

R2 dRp /dT =

αp =

(RT +

R)2

1

d Rp

Rp

dT

dRT /dT

I

R

=α RT + R

1000ºC), se emplean óxidos de ytrio y circonio. Las PTC de conmutación se fabrican con titanato de bario y titanato de plomo o de circonio para determinar la temperatura de conmutación. Hay modelos entre – 100º y +250ºC. Las PTC de medida están basadas en silicio impurificado. La estabilidad con el tiempo se logra sometiéndo el termistor a un envejecimiento artificial (calentamiento). La estabilidad con el medio se consigue recubriendo el termistor con vidrio si el medio en el que va a trabajar afecta a este último. La intercambiabilidad sólo está garantizada para modelos especiales.

Sensores Resistivos

TERMISTORES Ventajas de los termistores

Las ventajas de los termistores hacen que se continue utilizándolos. -Su elevada sensibilidad permite obtener alta resolución en la medida de temperaturas.

- Su elevada resistividad permite emplear hilos largos para su conexión porque tienen mayor resistencia y coeficiente de temperatura. - Su masa es muy pequeña por lo cual su velocidad de respuesta rápida es alta. -Se pueden utilizar en una gran variedad de aplicaciones en régimen de autocalentamiento. - Su coste es muy bajo.

Sensores Resistivos

TERMISTORES

Tipos de termistores y aplicaciones

Las formas en que se presentan las NTC son múltiples, y cada una de ellas está orientada a un tipo concreto de aplicaciones.

Medida de temperatura

Cilíndrico

Varilla

Perla

Gota

Varilla

Control de temperatura y autocalent.

Arandela

Disco

Sensores Resistivos

TERMISTORES Aplicaciones de los termistores - Basadas en el calentamiento externo del termistor : - Todas las relativas a la medida, control y compensación de temperatura. - Basadas en el autocalentamiento del termistor: - Medidas de caudal. - Medidas de nivel. - Medida de vacío (método Pirani). - Análisis de la composición de gases.

En estos casos varía la conductividad térmica del medio alrededor del termistor

- Control automático de volumen y potencia (obsoleta). - Generación de retardos . - Supresión de transitorios.

Sensores Resistivos

TERMISTORES Aplicaciones de los termistores NTC

NTC

- tº

-t

NTC

Líquido

(a) Termostato

NTC

NTC

- tº

- tº R (b) Circuito de compensación térmica

(c) Circuito de control térmico

Sensores Resistivos

TERMISTORES PTC

Aplicación de las PTC Protección contra sobretensiones Cuando la tensión de la red tiene su valor nominal, la PTC tiene una resistencia tal que la mayor parte de la tensión se aplica al equipo a proteger. Si se produce una sobretensión en la red, se calienta la PTC, lo que hace que aumente su resistencia y que se limite la tensión en bornes del equipo.

PTC

+tº

EQUIPO A PROTEGER

Sensores Resistivos

TERMISTORES

Aplicaciones de los termistores

Caudalímetro con Termistores NTC El fluido se calienta mediante una pequeña resistencia atravesada por una corriente constante. Debido a ello recibe una cantidad de calor constante por unidad de tiempo y alcanza una temperatura que es función de la velocidad. La lectura del micro amperímetro, colocado en una de las ramas del puente, depende de la diferencia de temperaturas (T1-T0) a que se encuentran los termistores.

Si la velocidad del fluido es nula, el calor se reparte por igual en ambas direcciones y los dos termistores están a la misma temperatura. En este caso se debe ajustar el puente para que el indicador no se desvíe. Si aumenta la velocidad del fluido, la temperatura T0 disminuirá y la T1 aumentará

Sensores Resistivos

TERMISTORES

Aplicaciones de Termistores PTC PTC

PTC

+ tº

+ tº bobina de arranque

(b) Circuito desmagnetizador

(a) Circuito de arranque de motor inducción PTC

(c) Supresor de arcos

Sensores Resistivos

TERMISTORES Ejercicios

1.-¿Que es la temperatura de conmutación de una PTC? a) La temperatura a la que su resistencia se hace doble que la resistencia mínima. b) La temperatura a la que su coeficiente es positivo. c) La temperatura a la que su resistencia se hace máxima.

2.- ¿Que tipo de termistor PTC se utiliza para la medida de temperaturas? a) Cerámicos

b) De silicio

c) De germanio

3.- Una NTC a 27ºC tiene una resistencia de 1000 Ω, siendo el coeficiente de temperatura a = -0.03. ¿Cuál es su temperatura característica? a) 4000

b) 2700

c) 1000

Sensores Resistivos

CIRCUITOS BÁSICOS DE ACONDICIONAMIENTO a) Divisor resistivo El divisor resistivo es adecuado cuando la variación x de resistencia por unidad de variación de la variable de entrada es elevada (por ejemplo en el caso de los termistores). Ello es debido a que si x 10 s).

Sensores Resistivos

HIGRÓMETROS (HYGROMETERS) RESISTIVOS Para construir higrómetros resistivos se utilizan soluciones acuosas de una sal higroscópica (ClLi, F2Ba, P2O5) depositadas sobre un sustrato plástico en forma de zig-zag entre dos electrodos. Los higrómetros resistivos son más adecuados que los capacitivos cuando la humedad relativa es alta.

Sensores Resistivos

SENSORES Y DETECTORES DE GASES Son elementos sensores implementados con algunos óxidos metálicos cuya resistencia a temperaturas elevadas varía en función de la concentración de oxígeno del ambiente. La elevada temperatura de funcionamiento se obtiene con un calefactor de platino colocado dentro o alrededor del sensor, o impreso en el dorso de la base cerámica. Esto hace, además, que la temperatura de trabajo sea constante y elimina su efecto sobre la sensibilidad. El material más utilizado es el SnO2

Sensores Resistivos

SENSORES Y DETECTORES DE GASES Características ▪ Alta sensibilidad, fiabilidad y robustez ▪ Bajo coste de los óxidos metálicos utilizados en su fabricación y de las técnicas para procesarlos ▪ Pequeño tamaño

Consideraciones importantes ▪ No se pueden utilizar para medir la concentración de gases en soluciones acuosas porque el agua y las sales afectan a la conductividad. ▪ Son muy sensibles a la temperatura y a la humedad. ▪ Su sensibilidad disminuye cuando la concentración de O2 es muy alta. ▪ Tienen escasa selectividad porque que son sensibles a cualquier gas que modifique la concentración de oxígeno. Se consigue más sensibilidad a un gas concreto controlando la temperatura y colocando un filtro.

Sensores Resistivos

SENSORES Y DETECTORES DE GASES

Aplicaciones

- Detección de la concentración de oxígeno

- Detección de otros gases

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SENSORES Y DETECTORES DE GASES

Aplicaciones Detección de la concentración de oxígeno A alta temperatura, la conductividad superficial de algunos óxidos varía en función de la concentración de oxígeno del ambiente en el que están situados. Esto se debe a la existencia de defectos en la estructura cristalina, que producen un déficit de átomos de oxígeno. Debido a ello, a dicha temperatura, el O2 absorbido se disocia, sus electrones neutralizan el exceso de metal y baja la conductividad.

E.T.S. de Ingenieros de Telecomunicación de Vigo

Sensores Resistivos

Departamento de Tecnología Electrónica

SENSORES Y DETECTORES DE GASES

Aplicaciones Detección de otros gases Combinando diferentes temperaturas y la impurificación de la capa de SnO2 se obtienen sensores cuya sensibilidad está optimizada para detectar gases concretos. Se puede medir la concentración de gases que la nariz mide a través del olfato. Por ello a este tipo de sensores se le suele llamar nariz electrónica. Son adecuados para detectar niveles de alarma (gases de escape de motores de combustión interna (CO), fuga de gases, detección de humo, pruebas de alcoholemia).

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SENSORES Y DETECTORES DE GASES

Circuito básico de medida

Sensores Resistivos

SENSORES Y DETECTORES DE GASES

Aplicaciones de los sensores resistivos de SnO2

Sensores Resistivos

SENSORES DE CONDUCTIVIDAD DE LÍQUIDOS Elementos sensores que utilizan la variación de conductividad de un electrolito en función de la concentración de iones en él. No es un método específico para detectar un tipo determinado de electrolito. La conductividad del agua pura a 25 ºC es σ = 0,038 µS/cm, mientras que la conductividad de algunas soluciones alcanza 1 S/cm.

Vr Vo

Circuito básico de medida de la conductividad

Sensores Resistivos

SENSORES RESISTIVOS DE INTENSIDAD (SHUNT) El método más sencillo para obtener una señal proporcional a la intensidad de corriente es una resistencia en serie (Shunt). La resistencia es óhmica pura y por ello la tensión en sus bornes es proporcional a la corriente que circula por ella.

I shunt

V

Carga

V

Circuito de aislamiento

Sensores Resistivos

SENSORES RESISTIVOS DE INTENSIDAD (SHUNT) Consideraciones importantes -Al insertar una resistencia en el circuito, la corriente disminuye (se introduce un error). Para minimizar este error la resistencia debe tener un valor muy bajo próximo a los 0 ohmios. Por otra parte, un valor excesivamente bajo no proporciona una tensión fácilmente medible. En la práctica se llega a un compromiso entre ambas exigencias. Se fabrican principalmente de cobre recocido. Comercialmente se fabrican resistencias para medida de corrientes desde 1 A hasta 6000 A con una caída de tensión de 60 a 150 mV.

Sensores Resistivos

SENSORES RESISTIVOS DE INTENSIDAD (SHUNT) - Se utilizan para todo tipo de corrientes: alterna, continua, impulsos, etc.

- Cuando el circuito trabaja con tensiones elevadas es necesario realizar aislamiento eléctrico entre la resistencia y el circuito en el que se realiza la medida. - Cuando la corriente es alterna se puede emplear un transformador de aislamiento. - Otra desventaja es el excesivo peso y tamaño de la resistencia a altas intensidades. El peso puede alcanzar los 15 kg para una intensidad de 6000 A. I

V