Temperatura

SISTEMA DE MEDICION: SENSORES DE TEMPERATURA
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA Página 1
I. INTRODUCCION
Podría decirse que la instrumentación trata las técnicas, recursos y métodos
relacionadosen laconcepción de dispositivospara mejorar o aumentarlaeficacia de
los mecanismos de percepción y comunicación del hombre. La instrumentación
comprende dos campos principales: instrumentación e instrumentación de control.
En general, en el diseño de los sistemas de medida la atención se centra en el
tratamientode lasseñales o magnitudesdeentrada,mientras que en lossistemasde
control se da especial importancia al tratamiento de señales de salida. En el primer
caso son de interés los captadores o sensores y transductores, mientras que en el
segundo los dispositivos más relevantes son los accionadores o actuadores. De
hecho, en muchos sistemas coexisten equipos de captación y medida de diversos
parámetrosconequipos deaccionamiento que,directa o indirectamente, influyende
algún modo sobre dichos parámetros de acuerdo con criterios de tratamiento de
datos preestablecidos. La recogida de datos en sistemas de gran complejidad, en
donde el tratamiento matemático es realizado por un equipo central, se resuelve
recurriendo a procedimientos de exploración cíclica o multiplexado por razones
económicas y de capacidad de las instalaciones. Para la realización de este proceso,
suelen utilizarse conmutadores de estado sólido que transfieren la información de
cada uno de los varios canales de entrada a un canal de salida compartido asociado
con el equipo de tratamiento principal, Estos dispositivos de conmutación, en
diferentes versiones, existen como circuitos integrados o híbridos digitales y
analógicos.
La temperaturaes una de las magnitudes físicas que más se miden. Los sensoresde
temperaturaconvierten una magnitud física en una resistencia o tensión eléctrica. El
uso de sensores de temperatura es muy amplio. Sea que se trate de la temperatura
ambientalen lacasao enlaoficina o latemperaturaprecisadeunmaterialen proceso
de ebullición, la medición de temperatura en el ámbito privado o industrial es muy
importante. Los sensores de temperatura usan diferentes efectos físicos para
convertir la temperatura en una magnitud eléctrica. Los sensores de resistencia
cambian su resistencia eléctrica al cambiar la temperatura.

II. MARCO TEORICO:
La temperaturaes una de las magnitudes físicas que más se miden. Los sensoresde
temperaturaconvierten una magnitud física en una resistencia o tensión eléctrica. El
uso de sensores de temperatura es muy amplio. Sea que se trate de la temperatura
ambientalen lacasao enlaoficina o latemperaturaprecisadeunmaterialen proceso
de ebullición, la medición de temperatura en el ámbito privado o industrial es muy
importante. Los sensores de temperatura usan diferentes efectos físicos para
convertir la temperatura en una magnitud eléctrica. Los sensores de resistencia
cambian su resistencia eléctrica al cambiar la temperatura. Como la curva
característica no es siempre lineal, la electrónica debe hacer tales correcciones para
adquirir la mayor precisión posible. Un sensor de resistencia muy común es el Pt100.
El sensor es de platino y tiene unaresistencia de 100 ohmios a 0 °C. Por otrolado, los
termoelementos usan el denominado efecto Seebeck. Este efecto causan una
tensión continua en las conexiones. Como este se encuentra sólo en el rango µV y
además es necesario conocer con precisión la temperatura en el puntode medición,
la medición con termoelementos es bastante imprecisa. Sin embargo, ofrece
ventajas como un tiempo de respuesta corto y permite medir temperaturas muy
altas. Los termoelementos pueden ser fabricados de diferentes materiales. Algunos
tipos se identifican con letras. (Por ejemplo, tipo K, tipo J, etc). La diferencia radica
en por ejemplo, los rangos de medición.
2.1. CLASIFICACION
En la actualidad hay muchas formas de medir la temperatura con todo tipo de
sensoresde diversas naturalezas.Laingeniería de control de procesos hainventado,
perfeccionado e innovado a la hora de disponer de sensores que les ayuden a
controlar los cambios de temperatura en procesos industriales. La siguiente tabla
podría dar una muestra de la gran variedad de dispositivos capaces de medir la
temperatura:

A pesar de que en laanterior tablano estánreflejados todos lostipos de sensoresde
temperatura existentes, sí podríamos centrarnos en hablar de unos cuántos
verdaderamenteextendidos en la industria,y en especial, de los que podríamos usar
en circuitos electrónicos juntocon micro controladoresyotrossistemas electrónicos
digitales para conseguir unos determinados resultados para los que conjuntamos
todos los dispositivos que acabamos de mencionar.
Sin dudason los sensoresde tipoeléctricolosque más extensióntiene hoydíaen la medición
de temperatura. Cada uno de este tipo de sensores tienenunas cualidades especiales que los
convierten en más convenientes para un determinado proceso u objetivo.

2.1.1. TERMOCUPLAS
- FUNDAMENTO
- APLICACIÓN
- FORMA DE HACER LECTURAS
2.1.2. TERMO RESISTENCIAS
Una termorresistencia es un dispositivo que varía su resistencia con la temperatura.
Suele denominarse RTD (Resistive temperature detector) por sus siglas en ingles.
El símbolo que la caracteriza es:
El símbolo sin flecha indica quela variación es intrínseca porla característica resistiva, no
por manipulación manual.
 Termorresistencia, consiste en una resistencia especialmente diseñada para
trabajar según el principio de que en la medida que varía la temperatura, su
resistencia semodifica, y lamagnituddeesta modificación puederelacionarse
con la variación de temperatura.
 Conocidas también como termómetros de resistencia, las termorresistencias
de uso más común se fabrican de alambres finos soportados por unos
materiales aislantes y luego encapsulados. El elemento encapsulado se
insertaluego dentrode unavaina o tubometálico cerrado en unextremo que
se llenaconunpolvoaislantey se sellaconcemento paraimpedir que absorba
humedad.

- FUNDAMENTO
El principio de medición de la temperatura con termorresistencias está basado en la
variación de valor de la resistencia eléctrica de un conductor metálico en función de la
temperatura.De una forma aproximada, pero no por ello lejos de lo real, la variación de
la resistencia eléctrica de unmetal a raíz de la temperaturapuede presentarsemediante
la expresión:
Donde:
- es la resistencia a la temperatura de referencia
- es la desviación de temperatura respecto a
- es el coeficiente de temperatura del conductor especificado a 0 °C,
interesa que sea de gran valor y constante con la temperatura
 RTD de dos conductores: Es la configuración más simple y menos costosa. El
aplicareste dispositivo proporcionaunamedidade temperaturaacertadacuando
el dispositivo receptor se encuentra conectado directamente al receptor, sin
utilizar cables de extensión.
Figura : Configuración de dos hilos.

 RTD de tres conductores:Lasondase encuentraconectada mediante treshilos al
puente. De esta forma, la temperatura ni la longitud de los cables afectan la
medida. Esta configuración también se encuentra sujeta a corrosión
Figura : Configuración de tres hilos.
 RTD de cuatroconductores: Se utiliza para obtenerla mayor precisión posible en
la medida, como en el caso de los convertidores digitales de temperatura o la
calibración de patronesde resistencias. Se puedenutilizar conductoresde menor
calibre, ya que no hay problema con la resistencia del cable.
Figura : Configuración de cuatro hilos.
- APLICACIÓN
El uso de este tipo de sonda, es especialmente recomendado en aquellos procesos en
losque lastemperaturasamedir nosonelevadas(hastalos200ºC aprox.), e inclusobajo
cero, y cuando la precisión en la medida sea un factor importante a considerar, puesto
que son más precisas que los termopares, aunque por el contrario su velocidad de
respuestaes menor. Hay que teneren cuenta,a la horade decidir suaplicación, que son
más frágiles y sensibles a esfuerzos mecánicos o vibraciones que los termopares.

Los metales que se emplean para aplicaciones industriales, son dos básicamente:
• Níquel
Para una gama de medición de -60.....a.....180ºc
• Platino
Para una gama de medición de –220...a...630ºc
Las termorresistencias se pueden usarsobre un rangode temperaturade –220 °C a
+600 °C.
Sus ventajas sonlas siguientes:
• Rangosde alta temperatura
• Resistencia a la vibración
• Alta inmunidad a interferencias eléctricas
• Estabilidad a largo plazo
• Diseño robusto
• Alta precisión
Las termorresistenciasse utilizan en las siguientes industrias:
• Industriasquímicas
• Industriaspetroquímicas
• Industriasfarmacéuticas
• Generación de energía
• Ingeniería mecánica
• Alimentos y bebidas
•Minería
Las ventajas de utilizar este tipo de sensores es que tiene un margen de temperatura
muy amplio; como tienen una gran sensibilidad, las medidas son dadas con mucha
exactitud y repetitividad; presentanderivas en la medida de 0,1 ºC al año por lo que son
muy estables en el tiempo.

Los inconvenientes son que el coste es más alto que el de lostermopares o termistores,
también su tamaño será mayor limitando así su velocidad de reacción; son frágiles ante
vibraciones, golpes…; se autocalientan más.
Por tanto, los sensores RTD son los más apropiados para aplicaciones en las que la
exactitud de la medida es lo importante.
Las aplicaciones básicas son en industria para medir la temperatura de automóviles,
electrodomésticos, etcétera; en laboratorios de precisión; en ohmímetros y en
termómetros utilizados donde hay ambientes exigentes.
Medición decalidad en la gasolina y diesel.
Paraprolongarlavida útil de los motores marinosdiesel y gasolina,es importante vigilar
y controlar las temperaturas de los gases de escape, lo que requiere un sensor de
temperaturapreciso. Los sensoresRTD tienen unafuerte señal óhmica, no son sensibles
al ruido electrónico y no requieren cables especiales.
Figura : Sensor RTD.
Controlde sistemas en computadores.
Estos dispositivos suelen ser utilizados como sistemas de control en computadores de
escritorio. Los microprocesadores actuales están compuestos por varias capas de
transistoresa nivel de circuito integrado, generando un nivel de calor en el sistema que
puede llegar a ser tan alto que alcance a estropear los circuitos, si no se maneja una
ventilación apropiada. Estos tipos de sensores se aplican de manera que cuando se
presente un nivel de temperatura alto, el sensor envíe una señal que apague el sistema.

Losconductoresmetálicos cambian ligeramentesuresistencia eléctrica cuandocambian
de temperatura; casi universalmente, se produce un aumento de resistencia cuando
aumenta la temperatura. Los semiconductores tienen el efecto contrario, disminuyen
notablemente la resistencia eléctrica con el aumento de la temperatura.
Para construir uno de estos termómetros se coloca la resistencia dentro de un cuerpo
para fabricar el sensor y se conectan a través de cables a un dispositivo de medir la
resistencia ya calibrado en grados de temperatura.
La magnitud del cambio de resistencia con la temperatura de ambos métodos es muy
diferente, los conductores cambian muy poco, por lo que el instrumento para medir el
cambio debe ser muy sensible, mientras que los semiconductores cambian mucho mas,
y el dispositivo de medición puede ser mas basto. Veamos: La figura muestra un
esquema eléctrico de los utilizados para la medición de temperatura con termo
resistencias de conductores.
Paraello se construye unpuente de Wheatstone como se muestra. Este circuito tiene la
propiedadde que si lascuatroresistenciassoniguales(puentebalanceado)elvoltímetro
marca 0 voltios, pero si cambia el valorde una de ellas se refleja un valorde voltaje en el
instrumento.

Utilizando esta propiedad, se construye un puente con tres resistencias iguales y la
termo resistencia en la cuartarama; el valorde la termo resistencia a temperaturacero,
de acuerdo a la escala a utilizar, es igualal de lastres resistencias restantespor lo que el
voltímetro marcara cero voltios, equivalente a cero gradosde temperaturaen la escala.
Cuandocambie la temperaturacambiaráel valorde la termoresistencia y segeneraráun
voltaje proporcional, si se calibra la escala directamente en grados de temperatura,
tendremos un termómetro.
2.1.3. TERMISTORES
- FUNDAMENTO
- APLICACIÓN
2.1.4. DIODOS
- FUNDAMENTO
- APLICACIÓN
2.1.5. SENSORES DE SILICIO CON EFECTO RESISTIVO
- FUNDAMENTO
- Los sensoresde silicio, soncircuitos integradosque aprovechanla variación
predecible del voltaje de la unión base-emisor (VBE) de los transistores
bipolares para realizar mediciones confiables y exactas de temperatura. Se
caracterizan por su pequeño tamaño y son especialmente apropiados para
aplicaciones de medición y control de temperatura en el rango de –55°C a
+150°C. Además, no requieren de etapas de linealización, amplificación ni
compensación externas debido a que incorporan en la misma pastilla sus
propios circuitos de procesamiento de señales.

Figura 6.Transductor de temperatura de silicio representativo. El dispositivo mostrado (LM56),
es fabricado por National Semiconductor (www.natsemi.com) detecta temperaturas entre –
55°C y + 150°C y ofrece una salida digital on-off.
La mayoría de sensores de silicio proporcionan como salida un voltaje que
varía linealmente con la temperatura en grados Kelvin (°K), Celsius (°C) o
Fahrenheit (°F). Algunos ejemplos representativos son el LM34, el LM35, el
LM135 y el LM50, todos ellos de National Semiconductor y con una
sensibilidad nominal de 10 mV por grado. El LM50, en particular, tiene
incorporado intencionalmente un offset DC de +500 mV para facilitar la
medición de temperaturasnegativasen sistemas de fuente sencilla.También
se dispone de sensores con salida por corriente. Dos ejemplos
reprensentativosson el LM334 y el AD590, cuyas sensibilidades típicas son 1
mA/°K y 1μA/°K, respectivamente.

La integraciónde circuitos de procesamiento en lossensoresde temperatura
de silicio elimina también, en muchoscasos, la necesidad de comparadoreso
de convertidores A/D externos para convertir la salida análoga a un nivel
lógico o un código digital. Los sensores de salida por comparador, en
particular, son muy útiles para detectar condiciones de falla, impulsar
calefactores o enfriadores, y otras aplicaciones de control y alarma. En la
figura 8.19, por ejemplo, se muestra un sencillo circuito de control para un
ventiladorutilizando unsensor de salida por comparador LM56.Los voltajes
de referencia para los comparadores internos son determinados por R1-R3.
En este caso, las salidas OUT1 (pin 7) y OUT2 (pin 6) se hacen bajas,
respectivamente, cuando se exceden el primer y segundo umbral de
temperatura fijados. En el primer caso, se energiza el ventilador de
enfriamiento, mientras que en el segundo se produce una señal de corte o
shutdownpara impedir el dañodel sistema. También se dispone de sensores
monolíticos inteligentes, con un nivel de integración más elevado, los cuales
incluyen convertidores AID, multiplexores, referencias de voltaje,
entradas/salidas digitales, lógica de detección de fallas, registros para el
almacenamiento de datos e instrucciones, y otras funciones.

La familia de sensoresde temperaturade silicio de Infineon y Philips KTY son
de alta exactitud, lineales y con una excelente estabilidad a lo largo del
tiempo, son una alternativa a los sensores más convencionales basados en
la tecnología NTC o PTC.
Las propiedades de estos sensores de temperatura están basadas en el
comportamiento estable del silicio. Esto significa que las derivas por la
temperatura son despreciables durante la vida del equipo. Los sensores de
temperaturade silicio muestranunacaracterística casi lineal comparadacon
la característica exponencial de las NTC. Esto significa que tienen un
coeficiente de temperatura qué es casi constante en todo el rango de
temperatura. Esta característica se puede utilizar cuando el sensor se usa
como compensación de temperatura para un microprocesador con
conversor de A/D integrado.

APLICACIÓN
Polaridad: El tipo de montaje de dos sensores en serie, pero con polaridad
opuesta, se ha aplicado en la serie KTY81/82; estos sensores son, por
consiguiente, no tienen polaridad. El KTY83/84/85 usa el montaje más
básico de unsolosensor,conlo quehay querespetar lapolaridaddel sensor.
-
-
-
Linealización: La característica de resistencia/temperatura de los sensores
de temperatura de silicio es casi lineal, pero en algunas aplicaciones es
necesario mejorar esta linealización, como en sistemas de control que
requieren una alta exactitud. Una manera simple de hacer esto, es poner la
resistencia del sensor‘RT' en paralelocon unaresistencia fija ‘RL', figura (a).
La resistencia final de la combinación en paralelo, RL x RT / (RL +RT), es en
una función lineal con la temperaturay el voltaje de salida será linealmente
proporcional a la temperatura.
Si el circuito está alimentado por una fuente de tensión constante, figura
(b),se puede conectarunaresistencia de linealización en serie con el sensor.
El voltaje en el sensor, será de nuevo una función casi lineal de la
temperatura.

En la práctica, una fuente de corriente es demasiado cara, entonces se
puede usarunvoltajefijo de 5 o 12 V paraconseguirunacorriente de trabajo
de 1mA, por ejemplo. En este caso, la linealización se puede conseguir por
una combinación de resistencias serie/paralelo con el sensor, figura (c). La
resistencia de lacombinación en paralelo(RP, RT)y la resistencia RS es igual
a la resistencia RL de linealización óptima, calculada previamente.
Tres formas de linealización:
(a) Con una resistencia ‘RL' en paralelo con el sensor.
(b) Con una resistencia ‘RL' en serie con el sensor y alimentado por una
fuente de tensión constante.
(c) Con una resistencia ‘RS' en serie y una resistencia ‘RP' en paralelo y
alimentado por una fuente de tensión constante.
Compensación de temperatura en un convertidor A/D integrado en un
microcontrolador:
Cuando un convertidor A/D está integrado en un microcontrolador, se
requiere una compensación de la temperatura. La figura muestra una
configuración típica, usando un sensor de temperatura KTY81-210 en serie
con una resistencia de linealización RS. Este divisor de tensión proporciona
un voltaje proporcional y lineal a la temperatura, con la VT entre 1.127 V y
1.886 V sobre un rangode temperaturaentre 0º y 100°C. Este voltaje se usa
como referencia de tensión para el convertidor A/D. La pendiente lineal de
VT = 7.59 mV /ºK.

Un ejemplo representativo de sensores de este tipo es el LM75, dotado de
un convertidorA/D delta-sigma de 9 bits, el cualproporciona una resolución
de 0,5°C por bit para mediciones de temperaturadesde –25°C hasta+150°C.
También posee una interfaz digital de dos hilos compatible con FC y una
salida de drenador abierto, configurable como línea de interrupción, que
indica cuando los umbrales de temperatura programados han sido
excedidos. Adicionalmente, hay tres pines de selección que permiten
direccionar hasta 8 sensores del mismo tipo sobre un mismo bus de dos
hilos.
2.1.6. SONDA DE TEMPERATURA
- FUNDAMENTO
Una sonda de temperatura o sonda térmica es un dispositivo que, por
medios mecánicos o eléctricos, transmite de un lugar (emisor) a otro
(receptor) la temperatura del emisor. Su función es diferente que la de un
termostato: éste actúa cuando la temperatura del emisor llega a cierto
punto determinado (temperatura de consigna), abriendo o cerrando un
contacto; eso quiere decir que el termostato es, en si mismo, el receptor.
Por el contrario, la sonda es solo un transmisor: mide la temperatura del
emisor, y lo trasmite para que el receptor actúe como convenga.

Se utiliza en instalaciones térmicas, tanto de los edificios (calefacción,
climatización) como en la industria, pero también en la cocina.
El principio de funcionamiento de las sondas térmicas se basa en un
elemento caliente desde el que se pierde calor debido al flujo más frío. La
temperaturase mantiene constante por medio de un circuito de control. La
corriente regulada es directamente proporcional a la velocidad de flujo.
Cuandose usansondasde flujo térmicas en flujos turbulentos,losflujosque
entran en contacto con el cuerpo caliente desde
todas las direcciones, influyen en la medición. Con
flujos turbulentos, un sensor de flujo térmico
produce una medida superior a la de una paleta (=
impulsor). Esto se debe notar especialmente
cuando se hacen mediciones en canales.
Dependiendo del diseño del canal, se han de
esperar flujos turbulentos incluso a bajas
velocidades de flujo.
- APLICACIÓN
En instalaciones térmicas
En instalaciones térmicas se usa de varios modos:
 en la regulación proporcional se utilizan dos sondas: una para medir la
temperaturadel exterior (sondaexterior) y otrapara medir la del caloportadora
la salida de la válvulade regulación (sonda de contacto); ambos datos se envían
a la centralita que actúa en consecuencia, de acuerdo con la programación
introducida.

 en instalaciones de calentamiento de agua sanitaria por energía solar se utilizan
para el funcionamiento de la bomba de recirculación del circuito de colectores:
dos sondas, una situada a la salida de los colectores y otra situada en el
acumulador de agua, envían sus datos a una centralita, llamada termostato
diferencial, que poneen marchalabomba derecirculación cuandolatemperatura
de los colectores es superior a la del acumulador y la para en caso contrario.
En algunoscasos,lacentralitatambiénponeenmarchalabomba cuandolasonda
situada a la salida de los colectores indica que la temperatura es inferior a 4 ºC
pararecalentarlos colectorescon el aguacaliente acumulada,evitandoel peligro
de congelación. En lugares muy fríos es más conveniente disponer un
caloportador con anticongelante en vez de hacer esta operación.
 en la regulación de calderas de calefacción con quemador modulante (potencia
de llamavariable),envían la temperaturadela conducción de retorno,enfunción
de la cual se regula la potencia de la llama. También regulan el caudal de gas, es
decir, la potencia de la llama, en los calentadores instantáneos modulantes, en
función de la temperatura de llegada del agua.
 en climatización por aire, se emplea unasondapara medir la temperaturadelaire
de retorno, lo que determina la temperatura de la impulsión en función de ella.
En cocina
El sistema tradicionalen cocina es emplear un termómetroespecial, con elbulbosituado
en un espetón que se clava en la pieza a asar (especialmente cuando la pieza es muy
grande) y hay que vigilarlos para saber cuando el calor del horno ha llegado a la zona
interior de la pieza, lo que significa que ya está en su puntode cocción. Actualmente se
fabrican sondaseléctricas que funcionan de modo que avisan cuandose ha llegadoa la
temperatura de asado requerida (distinta según la pieza). Cuando está integrada la
sonda entre los mecanismos del horno (en los hornos muy caros), pueden apagarlo.

2.1.7. SISTEMAS DE DILATACION
- FUNDAMENTO
- APLICACIÓN
III. CONCLUSIONES
- Podemos decir que lossensoresde temperaturasonimprescindibles ya que
por ejemplo cuando se trata de ventiladores estos sensores hacen que los
ventiladoresse prendancuando alcanzancierto gradode calor en el motor.
- Todas las tecnologías de sensado de temperatura presentan ventajas e
inconvenientes y no hay una única tecnología indicada para todas las
aplicaciones de sensado de temperatura.
- Para aplicaciones que trabajen con un rango limitado de temperaturas, los
termistorespuedenproporcionarunasoluciónde bajocoste parael sensado
de temperatura.Para una alta precisión superior a varios cientos de grados
CelsiuslosRTD puedenserunasoluciónapropiadaperoexigen uncuidadoso
ajuste y calibración y pueden resultarmás caros que las soluciones basadas
en termistores o sensores de silicio. Si hay que medir temperaturas
extremas, es probable que los termopares sean la solución más adecuada.
Sin embargo, para la inmensa mayoría de las aplicaciones que no exijan
medir un rangomuy amplio de temperaturas,lossensoresbasadosen silicio

pueden simplificar notablementeel diseño, mantener laprecisión e integrar
funciones que aumenten la flexibilidad y las prestaciones del sistema.
-
IV. BIBLIOGRAFIA
- Nota de Aplicación de Microchip Technology AN897, “Thermistor
TemperatureSensing with MCP6S2XPGAs,” de Kumen Blake y Steven Bible.
- - Nota de Aplicación de Microchip Technology AN895, “Oscillator Circuits
for RTD Temperature Sensors,” de Ezana Haile y Jim Lepkowski.
- http://arantxa.ii.uam.es/~gdrivera/robotica/h_datos/Sensores_Acond.pdf
- http://profesorroman.blogspot.pe/2010/06/sensores-de-temperatura-de-
silicio.html
-
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