Medición y control industrial

Cómo selecionar sensores de temperatura

Termistores ; consideraciones mecánicas y eléctricas

El termistor puede emplearse asimismo en el modo de “autocalentamiento" para detectar flujos de líquido o gas para analizar la composición de fluidos. En tales aplicaciones, el elemento de detección se halla directamente expuesto al flujo de fluido y la disipación de potencia en el termistor suministra una indicación de la velocidad de flujo o calor específico del medio de inmersión.

Los pequeños tamaños de los termistores típicamente con diámetro de 2,5 mm, producen una rápida respuesta a las variaciones de temperatura. Sin embargo, una vez instalado el termistor dentro de una vaina o blindaje, la. respuesta es equivalente a la de una termocupla protegida.

El pequeño tamaño hace también que el termistor sea más susceptible que una termorresistencia a los errores de autocalentamiento. La constante de disipación, o sea la potencia en mV necesaria para elevar la temperatura del termistor 1°C por encima de la temperatura ambiente inicial es normalmente de 1 mW/°C en aire sin movimiento. Un valor en las mismas condiciones de una termorresistencia de platino de 100 ohms es de 20 mW/°C .

Figura 3. Circuitos para igualar un sensor do temperatura a otro similar cuando la dispersión no permite el intercambio directo o se busca asimilar la curva de un sensor a otro 

a. Sensor de temperatura 

b, c. - Resistencias fijas invariables con la temperatura .

3.2. Diseño

El diseño de los termistores implica considerar los aspectos mecánicos o físicos, por un lado, y los eléctricos por el otro.

3.2.1. Consideraciones mecánicas o físicas

Las especificaciones mecánicas se refieren a:

  • Tamaño y configuración adecuados para el uso previsto, como ser el método de montaje el elemento sensor expuesto o encerrado, terminación, etc., lo que, a su vez, determina la constante de disipación y la constante de tiempo.
  • Material a utilizarse para la construcción del conjunto sensor del termistor, lo cual depende del medio (como ser aire, agua, aceite, etc.), longitud de exposición y medio corrosivo, niveles de choque, vibración y humedad , temperatura de operación y rango de temperatura, presión del medio al que se halla expuesto el termistor, etc.

Todas estas consideraciones son las mismas que se deben tener en cuenta para los casos ya vistos de termocuplas y termorresistencias.

3.2.2. Consideraciones eléctricas .

Las consideraciones eléctricas se refieren en forma somera a aquellas características de un termistor que pueden determinarse mediante un ensayo eléctrico .

  • La resistencia y la tolerancia a cierta temperatura de referencia .
  • La constante de disipación, que es la potencia, generalmente en mW que hará subir la temperatura del termistor 1°C por encima de la temperatura ambiente; esta constante queda determinada en cierta medida por el tipo y tamaño del termistor utilizado, y por el método de montaje.
  • La constante de tiempo, que es el tiempo, en segundos, para que todo el conjunto cambie su propia temperatura un 63% de como lo haría a partir de su temperatura original hasta alguna temperatura final al estar sometido a una variación escalón de temperatura; también queda determinado en cierta medida por el tipo y tamaño del termistor utilizado, y por el método de montaje.
  • El coeficiente de temperatura o la variación de resistencia por cada grado de variación de temperatura del termistor.

3.3. Selección .

En las aplicaciones de medición y control de temperatura, la selección de una resistencia de termistor adecuada generalmente depende de las siguientes consideraciones:

3.3.1 Alcance de temperatura .

Por lo general, la resistencia nominal de un termistor se elige fundamentalmente en base al alcance de temperaturas de operación. Mayores valores de resistencia corresponden a temperaturas más elevadas, mientras las bajas temperaturas requieren menores resistencias.

3.3.2 Valores de resistencia en los extremos del alcance de temperatura .

Se deben considerar tres factores:

  • Antes que nada, si la curva del termistor. será positiva o negativa (PTC o NTC). Por lo general y su difusión lo confirma, en la medición de temperaturas se utiliza el NTC , salvo para casos de compensación de alguna variable a que forzosamente deba ser de característica PTC . Entonces considerando un termistor NTC, los otros dos factores a considerar son:
  • La resistencia máxima a bajas temperaturas no debe ser demasiado alta para poder satisfacer las necesidades de los circuitos asociados como ser amplificador, lectura, etc. Si la resistencia a bajas temperaturas es muy alta, se debe considerar la posibilidad de captación de señales espurias. Si por otras razones es necesaria una elevada resistencia y la captación es un problema. se aconseja utilizar líneas blindadas, filtros y alimentación CC .
  • La resistencia mínima a elevadas temperaturas no debe ser demasiado baja para poder satisfacer las necesidades del amplificador, lectura, etc. Si la resistencia a elevadas temperaturas es demasiado baja, se deben tener en cuenta los posibles errores debidos a las resistencias de contacto, a la resistencia de línea y a la variación de la resistencia de línea para variaciones de la temperatura ambiente.

3.3.3. Sensibilidad.

La mayoría de las aplicaciones tienen una tolerancia expresada en unidades de temperatura. En cambio, los termistores suelen especificarse en términos de tolerancia de resistencia. Es una característica de los termistores que una tolerancia de resistencia fija sobre un alcance de temperatura sea equivalente a una tolerancia de temperatura que es menor en el extremo de temperaturas bajas y mayor en el extremo de temperaturas altas.

3.3.4. Autocalentamiento.

La potencia (PR) disipada en el termistor hará subir su temperatura por encima de la ambiente. El incremento de temperatura es una función directa de la constante de disipación del termistor con su montaje dentro del medio ambiente donde opera.

3.4. Aplicaciones .

Según la utilización, pueden encontrarse en el mercado termistores con valores entre 100 ohms y 30 K ohms, los de uso más frecuente se encuentran en la franja entro 1K y 5K ohms. Dentro de estos valores, tal como se mencionó anteriormente, no influyen los pequeños valores de resistencia correspondientes a los conductores de extensión o los propios del termistor.

El rango de temperatura de uso más difundido es entre ?50°C y 200°C, a pesar de haber algunos que alcanzan los 450°C.

Su aplicación más frecuente es como sensor de temperatura para mediciones rápidas en sondas manuales que acompañan a los termómetros portátiles electrónicos, hoy más difundidos.

Su desventaja es su falta de estabilidad en el tiempo y su gran dispersión en comparación con las termorresistencias, que pueden fabricarse con valores de resistencia superiores (Pt 500 y Pt 1000), mayores exactitudes y valores normalizados universalmente que garantizan su intercambio sin calíbraci6n previa.

La ventaja más importante es su pequeña masa, lo que permite velocidades de respuesta muy altas.

Glosario de términos sobre termistores

Termistor : Resistor térmicamente sensible cuya función primaria es la de exhibir una variación de su resistencia eléctrica en correspondencia con una variación de la temperatura del cuerpo.

Resistencia a potencia cero (Ro) : El valor de la resistencia del termistor a una temperatura cualquiera especificada, sin disipación de energía eléctrica (sin autocalentamiento).

Temperatura de referencia estándar : Temperatura del cuerpo del termistor a la cual se halla especificada la resistencia nominal, siempre sin disipación de energía.

Coeficiente de temperatura del termistor a potencia cero (αT) : Cociente, a una temperatura especificada T, entre la variación de la resistencia sin autocalentamiento (Ro=RT) con la temperatura (T) y la resistencia (RT).

Temperatura máxima de operación : La temperatura máxima del cuerpo a la cual un termistor operará durante un período prolongado de tiempo con una aceptable estabilidad de sus características. Esta temperatura es el resultado de un calentamiento externo o interno.

Constante de disipación (δ ) : El cociente, a una temperatura ambiente especificada, entre una variación de la disipación de energía en un termistor y la variación resultante de la temperatura del cuerpo.

Constante de tiempo térmica (τ) :El tiempo requerido por un termistor para alcanzar el 63,2% de la temperatura final, cuando se halla sometido a un salto de temperatura de 0 a 100%, siempre sin disipación de energía.

Característica resistencia a potencia cero vs. temperatura :Relación entre la resistencia del termistor sin disipar energía y la temperatura a que se somete.

Característica temperatura vs. potencia : Relación, a una temperatura ambiente especificada , entre la temperatura que adopta el termistor y la potencia aplicada.

Característica corriente vs. tiempo : Relación, a una temperatura ambiente especificada, entre la corriente a través del termistor y el tiempo transcurrido después de la aplicación de la tensión escalón al termistor.

Relación de resistencias : Cociente entre las resistencias a potencia cero de un termistor medidas a dos temperaturas de referencia especificadas.

Estabilidad : Capacidad del termistor de mantener las características especificadas después de ser sometido a determinadas condiciones ambientales y/o de ensayo eléctrico .

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