Instrumentación Electrónica y Control PDF

INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA Y CONTROL CÉSAR SÁNCHEZ MELÉNDEZ GRADO INGENIERÍA BIOMÉDICA  2 Tema 3  3 Tema 3 1. Medidas de temperatura Acondicionamiento y adquisición de 2. Acondicionamientos típicos s...

INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA Y CONTROL CÉSAR SÁNCHEZ MELÉNDEZ GRADO INGENIERÍA BIOMÉDICA  2 Tema 3  3 Tema 3 1. Medidas de temperatura Acondicionamiento y adquisición de 2. Acondicionamientos típicos señal Requisitos exclusivos de las medidas basadas en sensores Tabla de contenidos 1. Temperatura y calor 2. Sensores de temperatura 3. Sensores de temperatura basados en efectos directos y efectos de radiación 4. Sensores de temperatura basados en efectos eléctricos 5. Termopares 6. Seleccionando un sensor 1.- Temperatura y calor Temperatura y calor ❑La medida de temperatura es probablemente la más frecuente entre todas las medidas. ❑Casi todos los procesos y reacciones químicas dependen de la temperatura. ❑Hay numerosas aplicaciones industriales en las que la medición de la temperatura es esencial ❑Industrias metalúrgicas, generación de vapor, generación de electricidad, fabricación y moldeo de plásticos, industria alimentaria, química, etc. Temperatura y calor ❑Casi todos los sistemas electrónicos requieren una monitorización o, incluso un control de la temperatura de funcionamiento. ❑Hay muchas configuraciones y tipos de medida diferente en relacion con la medida de temperatura. ❑Desde el termómetro de mercurio que hemos tenido siempre en casa hasta termómetros de alta precisión de cuarzo pasando por termopares para rangos de temperatura amplísimos. Definiciones ❑Temperatura: ❑Es la medida de la energía potencial que aloja un determinado cuerpo en su materia. ❑Es la energía cinética de las moléculas de un cuerpo. ❑Es el estado de agitación, oscilación tanto lateral como rotacional, de las moléculas de un cuerpo. ❑Cuanta más temperatura, más energía vibracional en sus moléculas y más potencial para transferir esa energía cinética a otro cuerpo ❑Importancia de las UNIDADES: Al igual que con cualquier otra medida, es necesario tener unidades de medida acordadas y estandarizadas: OJO datasheets! Definiciones La temperatura de un gas ideal monoatómico es una medida relacionada con la energía cinética promedio de sus moléculas al moverse. En esta animación, se muestra a escala la relación entre el tamaño de los átomos de helio respecto a su espaciado bajo una presión de 1958 atmósferas. Fuente: Wikipedia Definiciones ❑Calor/Heat: ❑Energía térmica, el potencial de cambiar de un punto de temperatura más alto a otro más bajo. ❑La velocidad de la transferencia de calor es una función de esa diferencia de temperatura. ❑La cantidad de calor en un cuerpo es proporcional a la temperatura de ese cuerpo, es decir, su capacidad calorífica multiplicada por su temperatura absoluta. ❑Se mide en julios, J. Definiciones ❑Calor específico: ❑El calor específico de un material es la cantidad de calor que, al ser absorbido por 1Kg de dicha sustancia, aumenta su temperatura en 1ºC. ❑Unidades de medida: kJ/(kg * K). ❑Diferentes materiales absorben diferente cantidad de calor para producir el mismo cambio de temperatura. ❑Cerámica: muy alta. Metal: muy baja Definiciones ❑Conductividad térmica ❑La tasa a la que el calor es conducido por un material. ❑El calor viaja muy rápido por una barra de cobre, pero más lento que por hierro. ❑Depende no solo del material sino también de la forma de dicho cuerpo. ❑Calor latente ❑La cantidad de calor que se requiere para convertir un kilo de una sustancia de estado sólido a liquido (fusión). Definiciones ❑Expansión térmica: ❑Expansión de sólidos: ❑Cuando se calienta un sólido, aumenta de volumen. Aumenta en longitud, anchura y grosor. ❑Expansión de líquidos y gases: ❑Es necesario considerar la expansión en volumen (expansión cúbica). ❑¡Ojo! En líquidos y gases el continente también se expande con el cambio de temperatura, asique parece que la expansión es menor de lo realmente expandido. Definiciones ❑Transferencia de calor. El calor se transfiere por: ❑Conducción: ❑Transmisión directa a través del material. ❑Radiación: ❑Transferencia directa de calor a través del espacio, sin intercambio de materia. ❑La radiación térmica es radiación electromagnética situada en el espectro en el infrarrojo, en el visible o en el ultravioleta. Definiciones ❑Transferencia de calor. El calor se transfiere por: ❑Convección: ❑Transmisión indirecta de calor por la circulación térmica inducida por un líquido o gas. ❑En una convección forzada la circulación se incrementa con un ventilador o una bomba. Unidades de temperatura Unidades de temperatura ❑Para medir, se necesitan unos valores de referencia, que sean fijos y reproducibles: las escalas. ❑Celsius (grados centígrados, ºC): ❑Definida por el punto de congelación y de ebullición del agua. ❑El punto de congelación se define como 0ºC y el de ebullición como 100ºC. Unidades de temperatura ❑Kelvin o escala absoluta (Kelvin): ❑También se divide en 100 puntos el rango entre congelación y ebullición. ❑Un grado kelvin y un grado Celsius representan la misma diferencia. ❑Absolute zero o cero kelvin se define como el punto en el que las moléculas y atomos tienen la minima energía térmica posible. ❑La relación entre las escalas Kelvin y Celsius es que 0ºC es igual a 273,15 K, entonces: t=T-273.15, donde t representa la temperatura en ºC y T es la temperatura en K. Unidades de temperatura ❑Escala Fahrenheit: ❑"Colocando el termómetro en una mezcla de sal de amonio o agua salada, hielo y agua, encontré un punto sobre la escala al cual llamé cero. Un segundo punto lo obtuve de la misma manera, si la mezcla se usa sin sal. Entonces denoté este punto como 30. Un tercer punto, designado como 96, fue obtenido colocando el termómetro en la boca para adquirir el calor del cuerpo humano”. D. G. temperatura de Fahrenheit (f) a Rankine (R): Unidades de temperatura ❑Escala Fahrenheit: ❑La escala establece como las temperaturas de congelación y ebullición del agua, 32 °F y 212 °F, respectivamente. ❑De Fahrenheit (f) a Celsius (t): Unidades de temperatura ❑Escala de Rankine: ❑Es la temperatura termodinámica correspondiente a Fahrenheit. ❑Obsoleta. Puede aparecer en referencias antiguas ❑Cero en Rankine es lo mismo que cero Kelvin. ❑El punto de hielo es 491.67ºR. ❑Para convertir la temperatura de Fahrenheit (f) a Rankine (R): 2.- Sensores de medición de temperatura Sensores de temperatura ❑Todos los sensores de temperatura deben ser calibrados, contrastados con algo considerado una referencia. Tipos de sensores: ❑Sensores de efectos directos: ❑Miden el cambio que se produce directamente en la sonda de medición. Se han dividido en cuatro clases: expansión líquida, expansión gaseosa, cambio de estado y expansión sólida. Sensores de temperatura ❑Sensores de efectos de radiación ❑Sensores de efectos eléctricos ❑Termómetros de resistencia, termistores, medición de temperatura de semiconductores, etc.. ❑Termopares ❑Compuesto por dos metales diferentes, unidos en un extremo. Cuando la unión de los dos metales se calienta o enfría, se produce una tensión que es proporcional a la temperatura. ❑Otros métodos 3.- Medida de efectos directos y efectos de radiación ❑Termómetros de líquido en vidrio: ❑El líquido utilizado suele ser mercurio o alcohol coloreado y está contenido dentro de un bulbo y un tubo capilar. ❑A medida que aumenta la temperatura, el fluido se expande a lo largo del tubo capilar y el nivel de menisco se lee contra una escala calibrada grabada en el tubo. ❑El error es menos del ±1% de la lectura a gran escala. ❑Se utilizan para medir la temperatura en el rango 200ºC y +1000ºC. ❑Termómetro bimetálico: ❑Muy usada en termostatos de las viviendas. ❑Si dos tiras de metales diferentes se unen entre sí, cualquier cambio de temperatura afecta a la longitud de cada metal, y este cambio es diferente para cada material, haciendo que la tira se doble o estire. ❑Si se mide la magnitud de esta flexión, el dispositivo bimetálico se convierte en un termómetro. ❑La tira a menudo está dispuesta en una configuración espiral o helicoidal. ❑Se utilizan para medir temperaturas entre -75ºC y 1500ºC. ❑La imprecisión puede ser tan baja como ±0.5% FS. ❑Termómetros de presión: ❑El elemento sensor en un termómetro de presión consiste en una bombilla de acero inoxidable que contiene un líquido o gas. ❑Si el fluido no estuviera restringido, los aumentos de temperatura harían que su volumen aumentara. Sin embargo, aumentará la presión ya que el líquido está restringido en una cavidad o bombilla y no puede expandirse. ❑El cambio en la presión del fluido se mide mediante un transductor de presión adecuado, como el tubo de Bourdon. ❑Se puede utilizar para medir la temperatura en el rango entre -250ºC y 2000ºC. ❑Su inexactitud típica es ±0.5% FS. ❑Pirómetro óptico ❑Está diseñado para medir temperaturas superiores a 600ºC, donde el pico de emisión de radiación está en la parte roja del espectro visible. ❑En los pirómetros actuales la luz se compara utilizando, además, distintos filtros ópticos que absorben las longitudes de onda innecesarias —y reduciendo la intensidad de la luz, para hacer segura su operación— dejando pasar sólo las longitudes de onda cercanas al rojo. ❑Una lámpara, alimentada a través de una batería, provee una luz de referencia. Se hace foco en el filamento, y se comienza a girar el dial hasta que el filamento no se ve: entonces está a la misma temperatura que el material a medir. ❑Ahí se obtiene la temperatura en función de la corriente que pasa por el filamento. ❑La imprecisión es de ±5ºC. Mide mínimo a 600°C. ❑No es posible obtener una medición continua, con valores variables en el tiempo. ❑Se está sustituyendo por termómetros de infrarrojos. ❑Termómetros infrarrojos ❑Todos los objetos emiten (emitimos) radiación electromagnética que varía con la temperatura. ❑ La mayor parte del espectro de frecuencias se encuentra dentro de la banda de longitudes de onda entre 0,3 μm y 40 μm. Esto se corresponde a los rangos visible (0,3-0,72 μm) e infrarrojo (0,72-1000 μm). ❑ La tasa total de emisión de radiación por segundo viene dada por: ❑ No necesita contacto con el cuerpo caliente. ❑ Rango de temperaturas de -100ºC a 10000ºC. ❑ Inexactitud tan baja como ±0.05%. ❑Termografía o imagen térmica: ❑Implica escanear un detector de radiación infrarroja a través de un objeto. ❑La información recopilada se procesa y se produce una salida en forma de distribución de temperatura a través del objeto. ❑Medición de temperatura en el rango de -20ºC hasta 1500ºC. ❑El detector de radiación utiliza los mismos principios de funcionamiento que un pirómetro de radiación. ❑En lugar de medir la temperatura en un único punto, es capaz de escanear un cuerpo entero. ❑¿Cómo funciona una cámara termográfica? https://www.youtube.com/watch?v=gLOJAQGjKkg 4.- Medida de temperatura a través de los efectos eléctricos: Termistores Termistores ❑La resistencia de estos materiales varía con la temperatura. ❑La resistividad del material varía con la concentración y la movilidad de las cargas libres en el material. Cada material tiene su variación particular. ❑Esa resistencia se puede convertir en voltaje (u otra magnitud con facilidad). Termistores ❑Normalmente se usa un puente (i.e, Wheastone) para medir. ❑Vcc vs potencia consumida: ❑Aunque un Vcc alto es deseable para una mayor sensibilidad, el efecto de autocalentamiento de las altas corrientes que fluyen crea un error, cambiando el valor de resistencia. ❑Encontrar un buen equilibrio es relevante. ❑Son baratos. TERMISTOR Termistores ❑Dos tipos dependiendo del material utilizado para su construcción: ❑NTC (negative temperature coefficient): la resistividad decrece con la temperatura. ❑Sucede en semiconductores intrínsecos o puros porque con el aumento de temperatura crecen el número de electrones liberados de los átomos. ❑PTC (positive temperature coefficient): la resistividad crece con la temperatura. (también llamados RTDs) ❑Sucede en metales porque con la temperatura suben las vibraciones moleculares. ❑Typ. platino. NTCs ❑Los termistores NTC son los más fáciles de utilizar y los más frecuentemente usados. ❑Se fabrican a partir de perlas de material semiconductor preparadas a partir de óxidos del grupo de metales del hierro (cromo, cobalto, hierro, manganeso y níquel). ❑Mayor sensibilidad que los PTC, típicamente. NTCs ❑Ventajas: bajo coste y pequeños, fáciles de usar y rápidos en la medida. ❑Desventajas: altamente no lineal y alta deriva con el tiempo (0.1ºC/año). Se puede calentar mucho si la potencia que disipa no es baja. ❑ Los valores de resistencia típicos son 10kΩ a 0ºC y 200Ω a 100ºC. ❑Rango de temperatura: -100ºC a 300ºC. NTCs NTCs ❑Aproximaciones a la relación resistencia-temperatura: ❑Fórmula Beta: ❑ RT es la resistencia a la temperatura T en Kelvin, R0 es un punto de referencia a la temperatura T0 (típicamente 25ºC), B es una constante (2000 y 500 K) que requiere calibración. ❑La precisión es de ±1ºC en el rango de 0ºC a 100ºC. NTCs ❑Ecuación Steinhart-Hart: ❑ln(R) es el logaritmo natural de la resistencia R a temperatura T y los A, B y C son coeficientes derivados de la medición real. ❑La precisión es de ±0,15ºC en el rango de -50ºC a 150ºC. ❑Se puede obtener una medida más precisa mediante las fórmulas: ❑Precisión de ±0.0015ºC ❑Rango de -50ºC a 150ºC.